JP4255376B2 - Nonlinear distortion compensation for modem receivers. - Google Patents

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Abstract

A method and modem for communicating serial input data over a transmission link are disclosed. Serial input data is partitioned into parallel data elements prior to rotation by an invertible linear mapping. Computationally efficient multi-rate wavelet filter banks are employed in a receiver for analyzing a received signal. Self-interference components are calculated in the receiver per sub-band and tap-weights for the filter banks are derived as a function over the range of self-interference values. A weighted sum is formed and subtracted from the delayed, received signal to eliminate the interference, and is removed from the recovered signal.

Description

[関連出願との相互参照]
適用なし
[Cross-reference with related applications]
Not applicable

[連邦補助研究または開発に関する表明]
適用なし
[Statement on Federal Aid or Development]
Not applicable

[発明の背景]
従来から知られているように、変調器−復調器(モデム)は、送信信号を変調し、また受信信号を復調する電子装置である。このモデムは、一般的にはデジタル装置とアナログ通信システムとの間のインターフェースを与え、かくして2つの端末または局間においてデジタル情報のアナログ伝送を可能とする。このような伝送は、一般に帯域(バンド)制限された電話回線、携帯通信リンク、衛星リンク、およびケーブルTVのような伝送リンクを通して行われる。即ち、情報は、最大ビットエラーレートを有する周波数の所定範囲においてのみ、伝送リンクを通して伝送される。
[Background of the invention]
As is known in the art, a modulator-demodulator (modem) is an electronic device that modulates a transmitted signal and demodulates a received signal. This modem generally provides an interface between the digital device and the analog communication system, thus allowing analog transmission of digital information between two terminals or stations. Such transmissions are typically made through transmission links such as band-limited telephone lines, cellular communication links, satellite links, and cable TV. That is, information is transmitted through the transmission link only in a predetermined range of frequencies having the maximum bit error rate.

これもまた知られているように、送信局と受信局との間の無線伝送を提供するためにモデムが使用される。このような無線通信は、線形変調技術QAM、QPSK、Pi/4DPSK、GMSKの1つを使用するVHF、IS−54(携帯)、IS−95(携帯)、SPADE(衛星)、GSM(携帯)、HDTV、SAT−TV等の種々の応用に使用できる。無線通信応用によって、それぞれの帯域幅は容認可能なビットエラーレート内に制限されている。   As is also known, a modem is used to provide wireless transmission between the transmitting station and the receiving station. Such wireless communication can be accomplished using VHF, IS-54 (mobile), IS-95 (mobile), SPADE (satellite), GSM (mobile) using one of the linear modulation techniques QAM, QPSK, Pi / 4DPSK, and GMSK. It can be used for various applications such as HDTV, SAT-TV. Depending on the wireless communication application, each bandwidth is limited within an acceptable bit error rate.

ほとんどのモデムはガウス雑音を補償することが可能であるが、インパルス雑音をよく管理することができない。ほとんどのモデムはまた、全てのケースで振幅歪みが容認できないので、より高電力の増幅手段を必要とする。放送環境では、インパルス雑音に対して、FM伝送が優れた対処を与えるものと理解されている。FM伝送方式ではまた、送信信号は、ほぼ100%の効率で増幅される。これは、信号の部分を搬送する情報が、信号のゼロクロス点によって識別されるためである。かくして、振幅歪みは無視される。   Most modems can compensate for Gaussian noise, but cannot manage impulse noise well. Most modems also require higher power amplification means since amplitude distortion is unacceptable in all cases. In the broadcast environment, it is understood that FM transmission provides an excellent response to impulse noise. Also in the FM transmission scheme, the transmission signal is amplified with an efficiency of almost 100%. This is because the information carrying the portion of the signal is identified by the zero cross point of the signal. Thus, amplitude distortion is ignored.

これらの装置の利点にもかかわらず、モデム内に使用される非線形周波数変調は、独立した数例が存在するに過ぎない。300bpsのデータレートを与える周波数シフトキーイングは、本質的に2種類の、それぞれ独立したデータビットを表すための周波数を使用する。モデムにおける次の主要な開発は、2相変調から開始して、4相、8相へと進展した位相変調の使用である。振幅および位相変調の組み合わせが後に開発され、直交振幅変調またはQAMとも呼ばれる。   Despite the advantages of these devices, there are only a few independent examples of nonlinear frequency modulation used in modems. Frequency shift keying giving a data rate of 300 bps uses essentially two different frequencies to represent independent data bits. The next major development in modems is the use of phase modulation, starting with two-phase modulation and progressing to four-phase and eight-phase. A combination of amplitude and phase modulation was later developed and is also referred to as quadrature amplitude modulation or QAM.

続く開発は、ガウス最小シフトキーイングまたはGMSKである。一見すると、そのような符号化は、4相変調に似ているが、振幅変調を回避するために、ガウスフィルタと呼ばれる特別なローパスフィルタが、位相変調器に入力するデータに適用される。ガウスフィルタは積分器に似ているとみなされるので、そのような変調方式が周波数変調を生じさせるとする論議もなされる。これは、GMSKがFM弁別器を使用して復調できるからである。依然として、GMSKは、データの線形関数を同相および直交キャリアに適用して、線形変調を生成する。にもかかわらず、真のFMは、フィルタ処理された信号の三角関数を同相および直交キャリアへ応用することと数学的に等価である。FMは非線形変調であるが、それは、データ伝送には不十分と考えられている。何故ならば、送信周波数スペクトルが、AMモデムでのように、ベースバンドスペクトルの単純な変換とはならないからである。モデム用のFMについて考えられる別の問題は、真の信号だけを、そのモデムの電圧制御型発振器に受け入れる点である。即ち、FM用の等価な同相および直交キャリア法では、QAMモデムの二重同相および直交キャリアのダブルサイドバンドスペクトルと比べた場合に冗長であり、それ故非効率的であるとみなされるシングルキャリアのダブルサイドバンドスペクトルで生じた同じデータを、双方の経路が送信する。また、シングルサイドバンド(SSB)伝送は、モデムにとって望ましくないものと考えられていた。これは、AM−SSB信号をキャリア基準なしに効率的に変調する単純な手法がないためである。データ転送と全く関係ないアナログ技術としてのFMは、FSKに関する点を除けば、忘れ去られていた。   Subsequent development is Gaussian minimum shift keying or GMSK. At first glance, such encoding is similar to four-phase modulation, but to avoid amplitude modulation, a special low-pass filter called a Gaussian filter is applied to the data input to the phase modulator. Since Gaussian filters are considered to be similar to integrators, it is also argued that such modulation schemes cause frequency modulation. This is because GMSK can be demodulated using an FM discriminator. Still, GMSK applies a linear function of data to the in-phase and quadrature carriers to produce a linear modulation. Nevertheless, true FM is mathematically equivalent to applying the trigonometric function of the filtered signal to in-phase and quadrature carriers. FM is a non-linear modulation, which is considered insufficient for data transmission. This is because the transmission frequency spectrum is not a simple conversion of the baseband spectrum as in an AM modem. Another possible problem with FM for a modem is that only the true signal is accepted by the modem's voltage controlled oscillator. That is, the equivalent in-phase and quadrature carrier method for FM is redundant when compared to the double in-band and quadrature carrier double-sideband spectrum of a QAM modem, and is therefore considered inefficient. Both paths transmit the same data generated in the double sideband spectrum. Also, single sideband (SSB) transmission has been considered undesirable for modems. This is because there is no simple technique for efficiently modulating an AM-SSB signal without a carrier reference. FM as an analog technology that has nothing to do with data transfer has been forgotten, except for FSK.

一般的なモデムでは、二値データは、通常ベースバンドの高次余弦フィルタを通過させられる。このフィルタは、ベースバンド信号の帯域幅を制限する。このため、そのベースバンド信号にキャリアを乗じた時に、通過帯域信号帯域幅の制御は、シンボル間干渉なしになされる。一般的なモデムの出力は、離散的な位相を有した信号を含んでいる。このため、そこに含まれるデータは、各ビットの位相を認識することによって識別される。例えば、信号が+90°の位相シフトを有するときはいつでも、それは0と解釈される。また、位相シフトが−90°のときは、それは1を表す。かくして、キャリアを使用する一般的なモデムでは、キャリア信号の位相および/または振幅は、現在送信されているシンボルによって決定される。このキャリアは、各シンボルの期間の殆どについて位相及び振幅の選択された値だけを仮定する。また、選択された位相−振幅対の全ての図形的プロットは、モデムの星座点と呼ばれる。一般的なモデムは、送信されるシンボルの可能な各値について明瞭に区別できる点が星座中に存在することを必要とする。さらには、これらの点が誤割当てされた場合には、シンボル間干渉に起因して、またはリンク状の雑音に起因して、受信器でビットエラーが起こる。 In a typical modem, binary data is typically passed through a baseband high order cosine filter. This filter limits the bandwidth of the baseband signal. Therefore, when multiplied by the carrier to the baseband signal, the control of the passband signal bandwidth is made without intersymbol interference. A typical modem output includes a signal with discrete phases. For this reason, the data contained therein are identified by recognizing the phase of each bit. For example, whenever a signal has a + 90 ° phase shift, it is interpreted as zero. When the phase shift is -90 °, it represents 1. Thus, in a typical modem using a carrier, the phase and / or amplitude of the carrier signal is determined by the symbol currently being transmitted. This carrier assumes only selected values of phase and amplitude for most of the duration of each symbol . Also, all graphical plots of selected phase-amplitude pairs are called modem constellation points. A typical modem requires that there be a distinct point in the constellation for each possible value of the transmitted symbol . Furthermore, if these points are assigned erroneously, due to intersymbol interference, or due to the link-like noise, bit error occurs at the receiver.

多くの応用では、モデムの計算上の必要条件が、そのシステムの動作にとって不利益な遅延を招来する。例えば、デジタル音声伝送およびマルチアクセスネットワークは、モデムでの遅延に敏感である。さらに、モデムがデータを送受信する帯域幅の単位毎のレートは、モデム帯域幅効率と呼ばれる。デジタル情報理論の規律では、この効率は、送信信号が最大エントロピーまたはランダム性を有するときに、最大化されるものと知られている。最大エントロピー伝送は、帯域制限されたガウス雑音であって、他の特性の中で、ガウス雑音は、星座中のように、明瞭に異なる位相−振幅対には存在しない。かくして、内部処理時間を最小化し、またビットエラーレートを犠牲にすることなく帯域幅効率を最大化する通過帯域キャリアを有したモデムを提供することが望ましい。   In many applications, the computational requirements of the modem introduce a delay that is detrimental to the operation of the system. For example, digital voice transmission and multi-access networks are sensitive to delays in modems. Furthermore, the rate per unit of bandwidth at which the modem transmits and receives data is referred to as modem bandwidth efficiency. In the discipline of digital information theory, this efficiency is known to be maximized when the transmitted signal has maximum entropy or randomness. Maximum entropy transmission is band-limited Gaussian noise, and among other properties, Gaussian noise does not exist in distinctly different phase-amplitude pairs as in constellations. Thus, it is desirable to provide a modem with a passband carrier that minimizes internal processing time and maximizes bandwidth efficiency without sacrificing bit error rate.

シーケンシャルなシリーズのシンボルを伝送リンクを通して通信する方法は、そのシンボルをマルチレートで多位相フィルタ処理するステップと、フィルタ処理された出力を使用してキャリアを変調するステップと、変調されたキャリアを伝送リンクを通して送信する工程と、変調された信号を受信するステップと、送信器の多位相フィルタの逆関数を受信信号に適用するステップと、逆関数フィルタの出力に対してしきい値処理および再組立て処理を施して送信シンボルを回復するステップとを備える。 Method for communicating symbols sequential series through transmission link, the transmission comprising the steps of polyphase filters the symbol in a multi-rate, the method comprising modulating a carrier using the output of the filtered, modulated carrier and transmitting over the link, thresholding and reassembly against receiving a modulated signal, and applying the inverse function of the polyphase filter of the transmitter to the received signal, the output of the inverse function filter and a step of recovering the transmitted symbol subjected to a treatment.

データは、無線伝送リンクを通して、第1のモデムから第2のモデムへ伝送される。この場合、入力データから入力データフレームを形成し、その入力フレームに回転行列を乗じ、回転行列の出力を周波数変調して送信し、送信されたデータを受信して周波数復調し、復調されたデータに第2の回転行列を乗じ、逆回転されたデータを再組立して元のデータを回復する。   Data is transmitted from the first modem to the second modem over the wireless transmission link. In this case, an input data frame is formed from the input data, the input frame is multiplied by the rotation matrix, the output of the rotation matrix is frequency-modulated and transmitted, the transmitted data is received, the frequency is demodulated, and the demodulated data Is multiplied by the second rotation matrix, and the reversely rotated data is reassembled to recover the original data.

伝送リンクを通してシンボル伝送するモデムは、送信部と、受信部とを有する。送信部は、入力をパラレルデータチャネルに分割するための分割要素と、チャネル分割されたデータをパラレル信号チャネルに多位相変換するためのベースバンド送信回転部と、パラレル信号チャネルをシーケンシャルなシリアルサンプルに変換する再配置部と、変調された信号を与えるためのキャリア変調器と、変調された信号を送信するための送信器とを備える。受信部は、送信されて来た変調された信号を受信するための受信器と、受信した信号をパラレル信号チャネルに復調する復調器と、受信し復調された信号をパラレルデータチャネルに多位相変換するための受信回転部と、パラレルデータチャネルをシリアルデータ信号に組み入れるための組込要素とを備える。 A modem that transmits symbols through a transmission link includes a transmitter and a receiver. The transmission unit includes a division element for dividing the input into parallel data channels, a baseband transmission rotation unit for multi-phase converting the channel-divided data into parallel signal channels, and the parallel signal channels into sequential serial samples. A rearrangement unit for conversion; a carrier modulator for providing a modulated signal; and a transmitter for transmitting the modulated signal. The receiver unit receives a modulated signal transmitted thereto, a demodulator that demodulates the received signal into a parallel signal channel, and multi-phase converts the received and demodulated signal into a parallel data channel A receiving rotator and a built-in element for incorporating the parallel data channel into the serial data signal.

これらの方法の多位相フィルタ処理およびこのモデムは、送信シンボルのFM変調を可能とする。これは、元のシンボルの真の成分だけが生成されているからである。FMは、入力信号を周波数変調したか位相変調して達成されたにかかわらず、非ガウス雑音に対して強化された耐性を与え、非コヒーレントなIFを使用し、かくしてキャリア回復を必要とせず、A/D変換器がない分だけ従来のモデムよりも安価であり、FMキャプチャー効果によって低い共干渉を与え、しかも交換可能な演算子を使用することによって、アナログ信号との互換性がある。B級やC級のように電力効率的ではあるが潜在的に線形でない増幅器が使用可能である。これは、ゼロクロス点がデータ内容を決定することに使用でき、キャリア回復が必要とされないためである。QAMのような変調方式を使用するモデムは、そのように非線形増幅を使用できない。更に、ここに開示される方法およびモデムを使用する衛星モデムは、TWTバックオフ電力を節約し、かくしてよりエネルギ効率的である。これは、パーソナルコンピュータがビットエラーレートを犠牲にすることなく、より高いデータレートを達成する一方で、相互変調が問題とはならないからである。 These methods of multi-phase filtering and this modem allow FM modulation of transmitted symbols . This is because only the true component of the original symbol is generated. FM provides enhanced immunity to non-Gaussian noise, regardless of whether it is achieved by frequency or phase modulation of the input signal, uses non-coherent IF, and thus does not require carrier recovery, It is cheaper than conventional modems by the absence of an A / D converter, provides low co-interference due to FM capture effects, and is compatible with analog signals by using interchangeable operators. Amplifiers that are power efficient but potentially non-linear, such as class B or class C, can be used. This is because the zero cross point can be used to determine data content and carrier recovery is not required. Modems that use modulation schemes such as QAM cannot use non-linear amplification as such. In addition, satellite modems using the methods and modems disclosed herein save TWT backoff power and are thus more energy efficient. This is because personal modulation achieves higher data rates without sacrificing bit error rate, while intermodulation is not a problem.

多位相フィルタ処理は、第1の実施形態では、ウエーブレット型フィルタ(例えば、直交ミラーフィルタ)対によって実施される。分割要素は、線形位相FIRベクターフィルタ処理の前に、複数のパラレルデータチャネル中のシリアルデータを分割する。この場合、フィルタ係数は、正方行列である。これにより、入力データは、パラレル信号チャネルに変換される。この変換は、入力データベクターの畳み込み回転による。出力信号の各座標は、その隣と僅かに重なる周波数サブバンドに制限される。第1の実施形態の回転に先行して、送信部のプリエンファシスは、情報の殆どを低いベースバンド周波数域に配置する。これは、FM弁別器の、周波数の2乗に比例した雑音確率密度関数に起因する。受信器のデエンファシスは、総合利得等式への追加を生じる。この等式は、一実施形態では、FM送信器の利得による貢献度と、デエンファシス利得と、雑音低減利得とを含む。各サブバンド内の分割されたデータビットを表すパルス振幅レベルは、全サブバンド内の全レベルが整数値に対応している限り、整数のビットに対応することを必ずしも必要としない。   In the first embodiment, the multiphase filter processing is performed by a pair of wavelet type filters (for example, orthogonal mirror filters). The dividing element divides serial data in a plurality of parallel data channels prior to linear phase FIR vector filtering. In this case, the filter coefficient is a square matrix. Thereby, the input data is converted into a parallel signal channel. This conversion is by convolutional rotation of the input data vector. Each coordinate of the output signal is limited to a frequency subband that slightly overlaps its neighbors. Prior to the rotation of the first embodiment, the transmitter pre-emphasis places most of the information in a low baseband frequency range. This is due to the noise probability density function of the FM discriminator proportional to the square of the frequency. Receiver de-emphasis results in an addition to the overall gain equation. This equation includes, in one embodiment, FM transmitter gain contribution, de-emphasis gain, and noise reduction gain. The pulse amplitude levels representing the divided data bits in each subband do not necessarily need to correspond to integer bits as long as all levels in all subbands correspond to integer values.

受信器部分は、元のデータを回復する逆変換を行うための逆回転フィルタを提供する。一実施形態では、逆変換は、変調変換と交換可能である。別の実施形態では、受信器の逆回転フィルタの係数は、伝送路歪みを補償する等化用に適応的に選択される。これは、アナライザーが部分レートのFIRフィルタであるからである。かくして、近完全再構築フィルタが使用される。しきい値演算子は、最近接の整数座標値を最有望シンボルとする。 The receiver portion provides a reverse rotation filter for performing an inverse transform that recovers the original data. In one embodiment, the inverse transform is interchangeable with the modulation transform. In another embodiment, the inverse rotation filter coefficients of the receiver are adaptively selected for equalization to compensate for channel distortion. This is because the analyzer is a partial rate FIR filter. Thus, a near perfect reconstruction filter is used. The threshold operator uses the nearest integer coordinate value as the most probable symbol .

別の実施形態では、交換可能な回転フィルタおよび逆回転フィルタは、ベクターの幾何学的回転を記述する基本行列から求められる。それらの関数は、データ座標系内の入力データベクターを、信号座標系内の信号ベクターに変換するためのものである。この結果、信号ベクターのシーケンシャルに直列化された座標が、帯域制限されたアナログ信号のデジタルサンプルを形成する。行列に取り組む更に他の方法は、離散的ウエーブレット変換による数学的変換である。   In another embodiment, interchangeable rotation and counter-rotation filters are derived from a base matrix describing the geometric rotation of the vector. These functions are for converting an input data vector in the data coordinate system into a signal vector in the signal coordinate system. As a result, the sequentially serialized coordinates of the signal vector form a digital sample of the band limited analog signal. Yet another way to work with matrices is a mathematical transformation with a discrete wavelet transformation.

送信器部分と受信器部分のそれぞれにおいて、理想的な回転演算子は、計算的に効率のよいマルチレートのウエーブレット型フィルタバンクである。FM送信器の変調器への導入に先行した、ベースバンド信号の対数増幅は、受信器の変調利得を改善する。さらには、送信器に先行する対数増幅と受信器に後続する逆増幅との副産物として、送信チャネルに導入された雑音は減衰される。   In each of the transmitter and receiver portions, the ideal rotation operator is a computationally efficient multi-rate wavelet filter bank. Logarithmic amplification of the baseband signal prior to the introduction of the FM transmitter into the modulator improves the modulation gain of the receiver. Furthermore, noise introduced into the transmission channel is attenuated as a by-product of logarithmic amplification preceding the transmitter and inverse amplification following the receiver.

リンク内の分散的な障害は、サブバンド間に相対的な位相シフトを生成する。この場合、ウエーブレットの「直交性」は失われ、回復されたシンボルに自己干渉としてクロスタームが現れる。 Dispersive impairments within the link create a relative phase shift between subbands. In this case, the “orthogonality” of the wavelet is lost, and cross terms appear as self-interference in the recovered symbols .

[発明の簡単な要約]
ここで開示される発明では、特定の差分位相シフトクロスタームを近似するために、固定されたタップ重みフィルタが受信器で使用される。このフィルタの出力は、測定された分位相シフトの既知の関数F(p)によって重み付けされ、さらに重み付けされたフィルタ出力は、回復された信号から減算されて、自己干渉を除去する。好ましい設計では、フィルタの固定された係数は、分位相シフトの1つの値における内積から計算される。位相が測定できない場合には、適応コンバイナーが使用される。
[Brief Summary of Invention]
In the invention disclosed herein, the cross term in the approximation to order the differencing phase shift of a specific, fixed tap weight filter is used at the receiver. The output of this filter is weighted by a known function F of the measured differencing phase shift (p), further filter output weighted is subtracted from the recovered signal to remove the self-interference. In a preferred design, fixed coefficients of the filter is calculated from the dot product of one value of differencing phase shift. If the phase cannot be measured, an adaptive combiner is used.

この発明の前述した特徴は、この発明自体と同様に、以下の図面の詳細な記述から一層完全に理解される。   The foregoing features of the invention, as well as the invention itself, will be more fully understood from the following detailed description of the drawings.

[発明の詳細な説明]
図1を参照すると、信号分解−再合成システム10は、1つの入力ポート14aおよび一対の出力ポート16a,16bを有するアナライザー12を備える。出力ポート16a,16bのそれぞれは、シンセサイザー20の対応する一対の入力ポート18a,18bに結合されている。
Detailed Description of the Invention
Referring to FIG. 1 , the signal decomposition-resynthesis system 10 includes an analyzer 12 having one input port 14a and a pair of output ports 16a, 16b. Each of the output ports 16a, 16b is coupled to a corresponding pair of input ports 18a, 18b of the synthesizer 20.

アナライザー12の入力ポート14aに与えられたアナログ入力信号Xは、一対の信号W’ およびV’ へと分解され、それぞれは出力ポート16a,16bの対応するポートに与えられる。同様に、シンセサイザー20の入力ポート18a,18bに与えられた一対の入力信号W’ V’ は、シンセサイザー20の出力ポート20aで出力信号Yに再構築される。アナライザー12とシンセサイザー20によってなされる分解および再構築過程は、信号V’ およびW’ と同様に、以下で更に説明される。ここでは、入力信号Xが信号V’ およびW’ へ分解される、と言うに留めておくが、信号V’ およびW’ は入力信号Xを確実に再構築するように後で組み合わされる。 Analog input signal X supplied to the input port 14a of the analyzer 12 is decomposed into a pair of signals W '1 and V' 1, respectively provided to the output port 16a, 16b corresponding port. Similarly, the input port 18a, a pair of input signals W '1, V' 1 given to 18b synthesizer 20 is reconstructed in the output signal Y at the output port 20a of the synthesizer 20. The decomposition and reconstruction process performed by analyzer 12 and synthesizer 20 is further described below, as are signals V ′ 1 and W ′ 1 . Here, it is noted that the input signal X is decomposed into signals V ′ 1 and W ′ 1 , but the signals V ′ 1 and W ′ 1 will later be reconstructed to ensure that the input signal X is reconstructed. Combined.

ここで留意されるべき点は、ビルディングブロックであるアナライザー12シンセサイザー20はデジタル的に動作するが、説明を明瞭にするために、システム内でアナログ信号とデジタル信号を相互に変換するに必要な信号調整回路は省略されている。そのような信号調整回路は図4に関連して以下で説明される。しかしながら、簡単に言えば、そして図4に関連して以下で説明されるように、システムビルディングブロック例えばアナライザー12シンセサイザー20への入力信号がアナログ信号に対応しているときに、その信号は、先ずナイキストフィルタ処理を与えるように選択されたフィルタ特性を有するフィルタを通して供給されるべきである。適切にフィルタ処理された信号は、次にアナログ/デジタル変換器(ADC)によってサンプリングされる。同様に、システムビルディングブロックからの信号がアナログ信号となる場合、その信号は、デジタル/アナログ変換器(DAC)に供給され、そしてナイキストフィルタ処理を与えるように同様に選択されたフィルタ特性を有する第2のフィルタへ供給される。 It should be noted that the building block analyzer 12 and synthesizer 20 operate digitally, but for the sake of clarity the analog and digital signals are required to be converted to each other in the system. The signal conditioning circuit is omitted. Such a signal conditioning circuit is described below in connection with FIG. However, in short, and as described below in connection with FIG. 4, when an input signal to a system building block such as analyzer 12 or synthesizer 20 corresponds to an analog signal, the signal is It should first be fed through a filter having a filter characteristic selected to provide Nyquist filtering. The appropriately filtered signal is then sampled by an analog to digital converter (ADC). Similarly, if the signal from the system building block is an analog signal, the signal is fed to a digital / analog converter (DAC) and has a filter characteristic that is also selected to provide Nyquist filtering. 2 filter.

シンセサイザー20とアナライザー12は、互いに相手の逆関数動作を行う。即ち、アナライザー12からの信号W’ およびV’ が入力信号としてシンセサイザー20の入力ポート18a,18bに加えられる場合、所定の遅延時間を除けば、出力信号Yは入力サンプルXのシーケンスと等しくなる。好ましい実施形態では、この遅延時間は1サンプル時間に対応する。 The synthesizer 20 and the analyzer 12 perform inverse function operations of each other. That is, when the signals W ′ 1 and V ′ 1 from the analyzer 12 are applied as input signals to the input ports 18 a and 18 b of the synthesizer 20 , the output signal Y is equal to the sequence of the input samples X except for a predetermined delay time. Become. In the preferred embodiment, this delay time corresponds to one sample time.

同様に、信号V’ 1 W’ 1 をシンセサイザー20のそれぞれの入力ポート18a,18bに加え、そして結果として生じた出力信号Yをアナライザー12の入力ポート14aに加えると、アナライザー12のそれぞれの出力ポート16a,16bには、元の信号W’ 1 およびV’ がえられる。 Similarly, when the signals V ′ 1 , W ′ 1 are applied to the respective input ports 18 a, 18 b of the synthesizer 20 and the resulting output signal Y is applied to the input port 14 a of the analyzer 12 , the respective outputs of the analyzer 12. The original signals W ′ 1 and V ′ 1 are obtained at the ports 16 a and 16 b.

上述したように、アナライザー12とシンセサイザー20は、信号分解および再構築機能を提供する。以下で説明されるように、アナライザー12シンセサイザー20は、ビルディングブロックとして使用でき、またより複雑な回路を提供するために結合させることができる。これらの回路は、それ自体が結合されて種々の信号送受信システムを与えるためのものである。さらに、アナライザー12とシンセサイザー20は、以下で説明される他のシステムビルディングブロックと同様に、ハードウエア、ソフトウエアまたはハードウエアとソフトウエアの組み合わせによって、効率的に実施できる。 As described above, analyzer 12 and synthesizer 20 provide signal decomposition and reconstruction functions. As described below, the analyzer 12 and synthesizer 20 can be used as building blocks and can be combined to provide more complex circuits. These circuits are combined to provide various signal transmission / reception systems. Furthermore, the analyzer 12 and synthesizer 20 can be implemented efficiently by hardware, software or a combination of hardware and software, as well as other system building blocks described below.

ここで説明されるアナライザー12とシンセサイザー20は、順序付けられた数列に従って動作する。この数列は、限定されるものではないが、アナログ/デジタル変換器(ADC)からのサンプルである。例えば、サンプルは、X(0),X(1),X(2),X(3)のように表現される。この場合,X(0)は最新のサンプルである。二値数X(0)〜X(3)のそれぞれは、所定の値の範囲内で特別な値を有する。例えば8ビットADCは、−128から+127までの10進数値の範囲を与える。 The analyzer 12 and synthesizer 20 described herein operate according to an ordered sequence. This sequence is a sample from, but not limited to, an analog to digital converter (ADC). For example, the sample is expressed as X (0), X (1), X (2), X (3). In this case, X (0) is the latest sample. Each of the binary numbers X (0) to X (3) has a special value within a predetermined value range. For example, an 8-bit ADC gives a range of decimal values from -128 to +127.

サンプルX(0)〜X(3)のシーケンスは、4次元空間におけるベクター[X]の座標と考えられる。同じ4次元空間においてXの座標系から他の座標系へ線形変換することができる。かくして、ベクターXは、「回転」行列CによってベクターYに変換される。行列表記法では、これは次のように表現される。   The sequence of samples X (0) to X (3) can be considered as the coordinates of the vector [X] in the four-dimensional space. It is possible to perform linear conversion from the X coordinate system to another coordinate system in the same four-dimensional space. Thus, vector X is converted to vector Y by “rotation” matrix C. In matrix notation, this is expressed as:

Figure 0004255376
Figure 0004255376

新座標系の互いに直交した軸を使用すると、ベクターYは、新変換軸上へのXの投影に対応した成分を有する。そのような投影は、ベクターのドット積(内積)を形成することによって与えられる。   Using the mutually orthogonal axes of the new coordinate system, the vector Y has components corresponding to the projection of X onto the new transformation axis. Such a projection is given by forming a dot product (inner product) of the vector.

例えば4次元の場合、1組のウォルシュ符号Code1〜Code4は、次のように与えられる。   For example, in the case of four dimensions, a set of Walsh codes Code1 to Code4 is given as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

このウォルシュ符号Code1〜Code4は、この時間順序空間の4次元の直交座標軸を表している。符号Code1〜4は、4の平方根に対応する長さを有し(即ち、Code1とそれ自身のドット積は4に等しい)、かくして単位ベクターではない。   The Walsh codes Code1 to Code4 represent four-dimensional orthogonal coordinate axes of the time order space. Codes Code 1-4 have a length corresponding to the square root of 4 (ie, the dot product of Code 1 and itself is equal to 4), and thus are not unit vectors.

回転行列Cは、次のように表される。   The rotation matrix C is expressed as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

即ち、回転行列Cの行C〜Cは、ウォルシュ符号ベクターの成分に対応する。この場合、回転行列CとベクターXの行列乗算は、ベクターC〜Cの特別な1つとベクターXとのドット積と等価になる。行ベクターXの成分は、次のように表される。 That is, the rows C 1 to C 4 of the rotation matrix C correspond to the components of the Walsh code vector. In this case, matrix multiplication of the rotation matrix C and the vector X is equivalent to a dot product of a special one of the vectors C 1 to C 4 and the vector X. The components of the row vector X are expressed as follows:

Figure 0004255376
Figure 0004255376

新状態ベクターは、次のように表される。   The new state vector is represented as follows:

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、 、[X]とウォルシュ符号ベクター[C]〜[C]とのドット積演算を示す記号である。新状態ベクター[Y]は、[X]によって定義される元の状態を完全に記述し、4サンプルX(0)〜X(3)の各群毎に計算される。 Here, * is a symbol indicating dot product operation between [X] and Walsh code vectors [C 1 ] to [C 4 ]. The new state vector [Y] completely describes the original state defined by [X] and is calculated for each group of 4 samples X (0) -X (3).

線形回転演算は、確実に反転可能であって、次の関係にある。   The linear rotation operation can be reliably reversed and has the following relationship.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、[C^]は、[C]の逆関数である。行列C^は、以下の関係式から求められる。   Here, [C ^] is an inverse function of [C]. The matrix C ^ is obtained from the following relational expression.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、Lは、行列C^の行または列ベクターの次元に対応する。   Here, L corresponds to the dimension of the row or column vector of the matrix C ^.

2次元の場合には、ウォルシュベクターは、C=[+1,+1]およびC=[+1,−1]として表される。かくして、アナライザー12は、上記の2次元ベクターを使用して、2つの出力を有するように定義される。 In the two-dimensional case, the Walsh vector is represented as C 1 = [+ 1, + 1] and C 2 = [+ 1, −1]. Thus, the analyzer 12 is defined to have two outputs using the above two-dimensional vector.

ウォルシュベクターは、どの次元でも、2次元ベクターC,Cによって生成される。即ち、1組のウォルシュ符号を2次元ジェネレータ行列に置換すると、2倍の次元を有した新たなウォルシュ符号が与えられる。この手順を使用すると、アナライザー12を与えるために必要なN次元変換が得られる。かくして、ウォルシュベクターがそれらの2次元ウォルシュジェネレータから構築された手法故に、より高次元のアナライザー12およびシンセサイザー20は、2次元の場合から構築できる。 The Walsh vector is generated by the two-dimensional vectors C 1 and C 2 in any dimension. That is, replacing a set of Walsh codes with a two-dimensional generator matrix gives a new Walsh code with twice the dimensions. Using this procedure, the N-dimensional transformation necessary to provide the analyzer 12 is obtained. Thus, because of the approach in which Walsh vectors are constructed from their two-dimensional Walsh generators, higher dimensional analyzers 12 and synthesizers 20 can be constructed from the two dimensional case.

この行列変換法によって、モデムまたは信号暗号化装置を提供するための行列等式が生成される。必要な計算中の基本的演算は、ターム(項)の加算と減算である。   This matrix transformation method generates a matrix equation for providing a modem or signal encryption device. The basic operations in the calculation required are addition and subtraction of terms (terms).

ここで留意されるべき点は、N次元を有する行列による行列方法を使用して与えられる、図1Aに示すカスケードアナライザーや図1Bに示すカスケードシンセサイザーの場合、最低周波数チャネルは、行列ベクターCによって演算され、それに後続する各チャネルiは、対応する行列ベクターCによって演算され、最後に最高周波数チャネルは、行列ベクターCによって演算される。かくして、4次元行列の場合、最低周波数チャネルは、行列ベクターCによって演算され、そして最高周波数チャネルは、行列ベクターCによって演算される。この行列方法によって与えられるツリーアナライザーやツリーシンセサイザーの場合は、それぞれ、図1Cおよび1Dを参照して以下で説明される。アナライザー12は、カスケードアナライザーやツリーアナライザーにおいて、サブアナライザーとして用いられている。また、シンセサイザー20も、カスケードシンセサイザーやツリーシンセサイザーにおいて、サブシンセサイザーとして用いられている。 It should be noted that in the case of the cascade analyzer shown in FIG. 1A or the cascade synthesizer shown in FIG. 1B given using a matrix method with a matrix having N dimensions, the lowest frequency channel is determined by the matrix vector C 1 . Each subsequent channel i is computed by the corresponding matrix vector C i and finally the highest frequency channel is computed by the matrix vector C N. Thus, in the case of 4-dimensional matrix, the lowest frequency channel is calculated by the matrix vector C 1, and the highest frequency channels is calculated by a matrix vector C 4. The case of tree analyzers and tree synthesizers provided by this matrix method is described below with reference to FIGS. 1C and 1D, respectively . The analyzer 12 is used as a sub-analyzer in cascade analyzers and tree analyzers. The synthesizer 20 is also used as a sub-synthesizer in cascade synthesizers and tree synthesizers.

もう1つの好ましい方法では、アナライザー12の出力信号V’およびW’を記述する等式(Equation)は、次のように与えられる。 In another preferred method, equations describing the output signals V ′ and W ′ of the analyzer 12 are given as follows:

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、V’はサンプリングされた入力信号Xのスケーリングまたはフィルタリング関数に対応する。W’はサンプリングされた入力信号Xの残差または導関数に対応する。X(n)は最新入力サンプルに対応する。X(n−1)およびX(n−2)は2つの先行入力サンプルに対応する。SHIFTは2の正の累乗(例えば32や64等)に等しい変数の組に対応する。またBNは0とSHIFTとの間の値を有する正の整数に対応し、好ましくは比較的小さな値である。   Here, V 'corresponds to the scaling or filtering function of the sampled input signal X. W 'corresponds to the residual or derivative of the sampled input signal X. X (n) corresponds to the latest input sample. X (n-1) and X (n-2) correspond to two preceding input samples. SHIFT corresponds to a set of variables equal to a positive power of 2 (eg, 32, 64, etc.). BN also corresponds to a positive integer having a value between 0 and SHIFT, and is preferably a relatively small value.

以下で更に詳細に説明されるように、等式Equation1および2によって定義されるスケーリング関数V’と残差W’は、入力信号Xの交互入力サンプルで評価される。この場合、残差W’の値は、「中央」のサンプルX(n−1)と、このX(n−1)に最近接の、ここではX(n)とX(n−2)として表された2つのサンプルを結ぶ線の中間点との間の差の2倍に対応する。等式Equation1および2が交互入力サンプルで評価されるとき、奇数(または偶数)だけの「中央点」が選択されて計算される。かくして、サブアナライザーの出力レートは、入力信号Xの入力レートの1/2に対応する。   As described in more detail below, the scaling function V 'and residual W' defined by equations Equations 1 and 2 are evaluated on alternating input samples of the input signal X. In this case, the value of the residual W ′ is expressed as “center” sample X (n−1) and X (n−1) and X (n−2), which are closest to X (n−1). This corresponds to twice the difference between the midpoint of the line connecting the two represented samples. When equations 1 and 2 are evaluated with alternating input samples, only odd (or even) “center points” are selected and calculated. Thus, the output rate of the sub-analyzer corresponds to ½ of the input rate of the input signal X.

残差W’はまた、中央点を中心とした減速度としても解釈できる。かくして、上記等式Equation1および2において、残差W’を加速度として定義し、且つ−W’でW’を置換することが可能である。これにより、残差W’に対する代替の本質的に等価な表現が得られる。   The residual W 'can also be interpreted as a deceleration around the center point. Thus, in Equations 1 and 2 above, it is possible to define the residual W 'as acceleration and replace W' with -W '. This provides an alternative essentially equivalent representation for the residual W '.

より近い隣接点を使用し、中央点について評価された関数の高次または1次の導関数として残差W’を定義する他の実施もまた使用できる。   Other implementations that use closer neighbors and define the residual W 'as the higher or first derivative of the function evaluated for the center point can also be used.

上述した残差W’(n)の解釈は、残差W’(n)が、交互サンプル回りの傾斜変化にだけ応答することを示している。かくして、本発明における残差W’の1つの特性は、中央点を中心とした傾斜が一定であるときに、残差W’がゼロ値を有するように与えられるということである。   The interpretation of the residual W '(n) described above indicates that the residual W' (n) responds only to the slope change around the alternating samples. Thus, one characteristic of the residual W 'in the present invention is that the residual W' is given a zero value when the slope about the center point is constant.

通常定義されている残差W(n)は、本発明で定義されている有効残差W’(n)と、次のような関係にある。   The normally defined residual W (n) has the following relationship with the effective residual W ′ (n) defined in the present invention.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

本発明の残差W’(n)に対する定義の結果として、(通常の解法で定義された残差W(n)ではなく、)残差W’(n)の線形または非線形量子化に基づく信号圧縮は、圧縮方式に対して改良された性能を生じる。これは、以下に示すような残差W(N)の通常の定義に基づいている。   As a result of the definition of the residual W ′ (n) of the present invention, a signal based on linear or non-linear quantization of the residual W ′ (n) (rather than the residual W (n) defined in the normal solution) Compression results in improved performance over compression schemes. This is based on the usual definition of residual W (N) as shown below.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

サブシンセサイザーの演算は、下記の等式Equation3および4によって記述される。   The operation of the subsynthesizer is described by the following equations Equations 3 and 4.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、SHIFTは2の累乗に対応し、また   Where SHIFT corresponds to a power of 2 and

Figure 0004255376
Figure 0004255376

である。Y’(−)は、予め計算され記憶された(即ち、再帰的な)Y’(n)の値に対応する。 It is. Y ′ (−) corresponds to the pre-calculated and stored (ie, recursive) Y ′ (n) value.

変数SHIFTを上記のように定義し、また2の累乗による乗算および除算が2値コンピュータ上では右または左シフトと等価であるという事実の利点をとることによって、これらの等式の実用上の実施は、比較的少なく単純なハードウエアによってなされ、それ故好ましいものである。   Practical implementation of these equations by defining the variable SHIFT as above and taking advantage of the fact that multiplication and division by powers of 2 are equivalent to right or left shift on binary computers Is done by relatively small and simple hardware and is therefore preferred.

かくして本発明の解法では、残差W’は、特別な特徴を与えるように定義されており、またシーケンスV’は、そのシーケンスの余りを与えるように定義される。   Thus, in the solution of the present invention, the residual W 'is defined to give a special feature and the sequence V' is defined to give the remainder of the sequence.

図1Aを参照すると、いわゆる「カスケードアナライザー」24は、複数の、ここではN台のサブアナライザー24a〜24Nを備える。このカスケードアナライザー24は、信号V’ を第1のサブアナライザー24aの出力ポートから第2のサブアナライザー24bの入力ポートへ与え、信号V’ を第2のサブアナライザーの出力ポートから第3のサブアナライザー(図示せず)の入力ポートへ与え、以下同様にすることによって、与えられる。この過程は、サブアナライザー24Nが所定のサンプルレートを有した信号V’ を与えるまで続く。 Referring to FIG. 1A , a so-called “cascade analyzer” 24 includes a plurality of, in this case, N sub-analyzers 24a to 24N . The cascade analyzer 24 applies the signal V ′ 1 from the output port of the first sub-analyzer 24 a to the input port of the second sub-analyzer 24 b, and supplies the signal V ′ 2 from the output port of the second sub-analyzer 3rd. This is given to the input port of a sub-analyzer (not shown) and so on. This process continues until the sub-analyzer 24N provides a signal V ′ N having a predetermined sample rate.

例えば、通信システムでは、上述したように、複数の、例えばN台のサブアナライザーを結合することが望ましい。この場合、通信リンクの下側周波数カットオフの2倍以下であるサンプルレートを信号V’ が選択的に有するように、Nは選択される。各サブアナライザーはその入力へのサンプルレートを半分にするので、カスケードアナライザーの種々の出力信号W’ W’ 2 ・・・W’ N は、異なるレートで与えられる。 For example, in the communication system, as described above, it is desirable to combine a plurality of, for example, N sub-analyzers. In this case, N is selected so that the signal V ′ N selectively has a sample rate that is less than or equal to twice the lower frequency cutoff of the communication link. Each sub-analyzer halves the sample rate at its input, so the various output signals W ′ 1 , W ′ 2 ... W ′ N of the cascade analyzer are given at different rates.

図1Bを参照すると、いわゆる「カスケードシンセサイザー」26は、図1に関連して説明されたタイプの複数のサブシンセサイザー26a〜26Nによって与えられる。このカスケードシンセサイザーは、カスケードアナライザーの逆関数演算を与えるように動作する。 Referring to FIG. 1B , a so-called “cascade synthesizer” 26 is provided by a plurality of sub-synthesizers 26a-26N of the type described in connection with FIG . This cascade synthesizer operates to provide the inverse function operation of the cascade analyzer.

図1Cを参照すると、いわゆる「ツリーアナライザー」28は、複数の、それぞれが図1に関連して説明されたタイプのサブアナライザー29a〜29gを適切に結合するによって与えられる。かくして、スケール関数V’(N)から発するカスケードに加えて、1以上の残りのシーケンスW’(N)から発する残りのカスケードを有することも可能である。即ち、残りのシーケンスW’(N)は、それら自身を多分解能解析用の入力と考えることができる。従って、その場合には、等しいサンプルレートを有するスケーリング関数V’と残りのシーケンスW’を与えることが可能である。ここで、そのサンプルレートは、元のサンプルレートの1/8に対応する。 Referring to FIG. 1C , a so-called “tree analyzer” 28 is provided by appropriately combining a plurality of sub-analyzers 29a-29g, each of the type described in connection with FIG . Thus, in addition to the cascade emanating from the scale function V ′ (N), it is possible to have the remaining cascade emanating from one or more remaining sequences W ′ (N). That is, the remaining sequences W ′ (N) can be considered as inputs for multi-resolution analysis. Therefore, in that case, it is possible to give a scaling function V ′ and a remaining sequence W ′ with equal sample rates. Here, the sample rate corresponds to 1/8 of the original sample rate.

ツリーアナライザー28は、残りのシーケンス出力W’のそれぞれを、そのようなシーケンスの全てが1つのレートに落とされるまで、解析することによって与えられる。このレートは、通常はアナライザーが協同する伝送リンクの下側カットオフ周波数のナイキストレート以下である。3レベルのアナライザーツリー28は、ここでは、アナログ入力信号Xのサンプルレートrの1/8で、その出力29a〜29hの全てを有するように与えられる。各出力サンプルは、入力サンプルよりも多いサンプル当たりのビットを有することができるが、それらの出力サンプルによって表わされる数は、通常は大きさが小さく、量子化器(図示せず)によって簡単に再量子化される。   The tree analyzer 28 is provided by analyzing each of the remaining sequence outputs W 'until all such sequences are dropped to one rate. This rate is usually below the Nyquist rate of the lower cutoff frequency of the transmission link with which the analyzer cooperates. The three-level analyzer tree 28 is given here to have all of its outputs 29a-29h at 1/8 the sample rate r of the analog input signal X. Each output sample can have more bits per sample than the input samples, but the number represented by those output samples is usually small in size and is easily recreated by a quantizer (not shown). Quantized.

図1Dを参照すると、いわゆる「ツリーシンセサイザー」30は、複数の、それぞれが図1に関連して説明されたタイプのサブシンセサイザー31a〜31gによって与えられる。このツリーシンセサイザー30は、ツリーアナライザー28(図1C)の逆関数演算を与えるように動作する。 Referring to FIG. 1D , a so-called “tree synthesizer” 30 is provided by a plurality of sub-synthesizers 31a-31g, each of the type described in connection with FIG . The tree synthesizer 30 operates to provide the inverse function operation of the tree analyzer 28 ( FIG. 1C ).

ここで留意されるべき点は、図2〜8に関連して以下で説明される応用のそれぞれにおいて、〜8を通して使用されるタームアナライザーは、サブアナライザー、カスケードアナライザーまたはツリーアナライザー要素等を示すことに使用されるということである。図2〜8で参照されるタームシンセサイザーは、サブシンセサイザー、カスケードシンセサイザーまたはツリーシンセサイザー要素を示すことに使用される。これらのそれぞれは、図1〜1Dに関連して説明されたものである。アナライザー及びシンセサイザー要素のそれぞれは、行列変換技術によって与えられる。この代わりに、アナライザー及びシンセサイザー要素のそれぞれは、上記等式Equation1および2の形態をとる3点等式によって与えられる。さらには、アナライザー及びシンセサイザー要素のそれぞれは、以下の形態の等式によって与えられる。 It should be noted that in each of the applications described below in connection with FIGS. 2-8, the term analyzer used through 8 represents a sub-analyzer, cascade analyzer or tree analyzer element, etc. It is used for. The term synthesizer referenced in FIGS. 2-8 is used to indicate a sub-synthesizer, cascade synthesizer or tree synthesizer element. Each of these are those described in connection with FIG. 1 through 1d. Each of the analyzer and synthesizer elements is given by a matrix transformation technique. Instead, the analyzer and synthesizer elements are each given by a three-point equation that takes the form of Equations 1 and 2 above. Further, each of the analyzer and synthesizer elements is given by an equation of the form

Figure 0004255376
Figure 0004255376

アナライザー及びシンセサイザーがツリー型のアナライザー及びシンセサイザーとして与えられる場合、i=1,3,5・・・であれば、行列ベクターCiは、ツリーアナライザーまたはシンセサイザーの底部のチャネルで動作する。一方、i=2,4,6・・・であれば、行列ベクターCiは、ツリーアナライザーまたはシンセサイザーの上半分のチャネルで動作する。かくして、チャネル29a〜29hを有するアナライザー28がベクターC〜Cを有する8次元行列によって与えられる場合、チャネル29h〜29eは、行列ベクターC,C,CおよびCによって演算され、またチャネル29d〜29aは、行列ベクターC,C,CおよびCによって演算される。 If the analyzer and synthesizer are given as a tree-type analyzer and synthesizer, the matrix vector Ci operates on the bottom channel of the tree analyzer or synthesizer if i = 1, 3, 5,. On the other hand, if i = 2, 4, 6..., The matrix vector Ci operates on the upper half channel of the tree analyzer or synthesizer. Thus, if the analyzer 28 having a channel 29a~29h is given by eight-dimensional matrix having a vector C 1 -C 8, channel 29h~29e is computed by a matrix vector C 1, C 3, C 5 and C 7, the channel 29d~29a is calculated by a matrix vector C 2, C 4, C 6 and C 8.

図2を参照すると、信号暗号化装置32は、そこへ結合された、例えば、乱数発生器である信号暗号化回路34を有したアナライザー33を備える。このアナライザー33は、複数の、ここでは5台のサブアナライザーを図示のように結合することによって与えられる。サブアナライザーのそれぞれは、図1に関連して上述したサブアナライザーと同様の型であり、かくして同様の手法で動作する。複数のアナライザー出力ポート33a〜33fのそれぞれは、シンセサイザー36の同様の複数の入力ポート36a〜36fの対応するものに結合される。同様に、シンセサイザー36は、複数の、ここでは5台のサブシンセサイザーを図示のように結合することによって与えられる。サブアナライザーのそれぞれは、図1に関連して上述したサブアナライザーと同様の型であり、かくして同様の手法で動作する。 Referring to FIG. 2 , the signal encryption device 32 includes an analyzer 33 having a signal encryption circuit 34 coupled thereto, for example, a random number generator. This analyzer 33 is given by combining a plurality of, here five, sub-analyzers as shown. Each of the sub-analyzers is of the same type as the sub-analyzer described above with respect to FIG. 1 and thus operates in a similar manner. Each of the plurality of analyzer output ports 33a-33f is coupled to a corresponding one of a plurality of similar input ports 36a-36f of the synthesizer 36. Similarly, a synthesizer 36 is provided by combining a plurality, here five, of subsynthesizers as shown. Each of the sub-analyzers is of the same type as the sub-analyzer described above with respect to FIG. 1 and thus operates in a similar manner.

ここで留意されるべき点は、ここでは5台のサブアナライザー及びサブシンセサイザーが図示のように接続されているが、当業者には認められるように、如何なる数のサブアナライザーおよびサブシンセサイザーでも使用できるということである。ここでまた留意されるべき点は、上述したように、カスケード型のサブアナライザー及びサブシンセサイザーがここでは図示されているが、ツリー型のサブアナライザー及びサブシンセサイザーもまた使用できるということである。従って、1つの入力信号Xは、任意の数Nの信号に分解される。一般に、そして図1に関連して上述したように、アナライザー、従ってその数の結合されたサブアナライザーによって行われる分解手順は、N番目の信号Vのナイキスト周波数が入力信号Xの既知の下側カットオフ周波数以下になったときに終わることが好ましい。 It should be noted here that five sub-analyzers and sub-synthesizers are connected as shown, but any number of sub-analyzers and sub-synthesizers can be used, as will be appreciated by those skilled in the art. That's what it means. It should also be noted here that, as described above, cascaded sub-analyzers and sub-synthesizers are shown here, but tree-type sub-analyzers and sub-synthesizers can also be used. Therefore, one input signal X is decomposed into an arbitrary number N of signals. In general, and as described above with reference to FIG. 1 , the decomposition procedure performed by the analyzer, and therefore the number of combined sub-analyzers, is such that the Nyquist frequency of the Nth signal V N is a known lower side of the input signal X. It is preferable to end the process when the frequency becomes lower than the cutoff frequency.

信号暗号化回路32の一般的な動作概観では、例えば音声信号である入力信号Xは、アナライザーの入力ポート33a’に供給され、アナライザー33によって図1に関連して説明された手法で分解される。ここでは、入力信号Xは、図示のように、信号V,V,V,V,VおよびW,W,W,W,Wに分解される。暗号化するために、デジタル乱数発生器である乱数発生器34は、残差W’ W’ 5 の信号経路のそれぞれに暗号化信号を供給する。残差W’ W’ 5 のそれぞれの値は、このようにして、信号E〜Eに対応するように修正される。 In a general operation overview of the signal encryption circuit 32, an input signal X, for example an audio signal, is supplied to an analyzer input port 33a 'and is decomposed by the analyzer 33 in the manner described in connection with FIG. . Here, the input signal X is decomposed into signals V 1 , V 2 , V 3 , V 4 , V 5 and W 1 , W 2 , W 3 , W 4 , W 5 as shown. In order to encrypt, a random number generator 34, which is a digital random number generator, supplies an encrypted signal to each of the signal paths of the residuals W ′ 1 to W ′ 5 . The respective values of the residuals W ′ 1 to W ′ 5 are thus corrected to correspond to the signals E 1 to E 5 .

ここに示されるように、残差W’ W’ を暗号化するための1つの方法は、残差W’ W’ の符合と論理値に対応した値を有する論理的変数との間の排他的論理和(XOR)演算を与えるものである(図示のように)。この代わりに、もう1つの暗号化方法は、複数の個別秘密2値ビットストリームを、残差W’の1つまたは全てに加算することによって与えられる。一般には残差信号W’は、比較的低い電力レベルを有するように与えられる。従って、上述した暗号化技術のいずれかまたは双方によって、残差信号W’ W’ は、単なる雑音(即ち、雑音に「埋まった」)信号として現れる。当業者には周知の他の暗号化方法もまた使用できる。例えば、チャネルの順列や、シンボルの置換である。ここで留意されるべき点は、その代わりに、信号V’〜V’ のそれぞれが暗号化されるか、信号W’およびV’の組み合わせが暗号化されてもよいということである。 As shown here, one method for encrypting a residual W '1 ~ W' 5, the logical variables having a value corresponding to the sign and a logic value of the residual W '1 ~ W' 5 Gives an exclusive-or (XOR) operation (as shown). Instead, another encryption method is provided by adding a plurality of individual secret binary bit streams to one or all of the residuals W ′. In general, the residual signal W ′ is provided to have a relatively low power level. Thus, residual signals W ′ 1 -W ′ 5 appear as simple noise (ie, “buried in” noise) signals by either or both of the encryption techniques described above. Other encryption methods known to those skilled in the art can also be used. For example, channel permutation and symbol substitution. It should be noted here that each of the signals V 1 ′ to V 5 ′ may be encrypted instead, or a combination of the signals W K ′ and V K ′ may be encrypted instead. is there.

ここで留意されるべき点は、信号暗号化装置32が、暗号化の分野では一般的なデジタル暗号フィードバックを含むように修正できるということである。本発明においてデジタル暗号フィードバックを与えるためには、アナライザーからの5つのXOR出力のそれぞれは、暗号化用のデータ暗号化標準(DES)の手法で、5つの独立した秘密乱数発生器(図示せず)の入力にフィードバックされるべきである。   It should be noted that the signal encryption device 32 can be modified to include digital cryptographic feedback that is common in the field of encryption. In order to provide digital cryptographic feedback in the present invention, each of the five XOR outputs from the analyzer is in the form of a data encryption standard (DES) technique for encryption, and five independent secret random number generators (not shown). ) Should be fed back to the input.

ここでまた留意されるべき点は、当業者には周知であるデジタル乱数を与える手段、例えば限定されるものではないが、DESを、暗号フィードバック付きまたは無しで使用できるということである。さらに、残差W’の値を修正するために、乱数を求めて使用する他の方法、例えば限定されるものではないが、XOR関数を使用しない付加的雑音技術等もまた使用できる。   It should also be noted here that means for providing digital random numbers well known to those skilled in the art, such as, but not limited to, DES can be used with or without cryptographic feedback. In addition, other methods of finding and using random numbers to modify the value of the residual W 'can also be used, such as, but not limited to, additional noise techniques that do not use an XOR function.

暗号化された信号E〜Eは、次にアナライザーの出力ポート33a〜33fの対応するものに結合され、それからシンセサイザーの入力ポート36a〜36eに供給され、また未修正信号Vは、入力ポート36fに供給される。シンセサイザー36は、等式Equation3および4を使用して、そこへ供給された信号E〜Eを再構築し、これにより再構築出力信号Yを与える。この信号Yは、例えば通信チャネル(図示せず)を通して送信される。 Signal E 1 to E 5, which is encrypted, is then coupled to a corresponding one of the output ports 33a~33f the analyzer, then supplied to the synthesizer input port 36 a to 36 e, also unmodified signal V 5 is input Supplied to port 36f. Synthesizer 36 uses the equation Equation3 and 4, to reconstruct the signal E 1 to E 5 supplied thereto, give thereby reconstructing an output signal Y. This signal Y is transmitted through a communication channel (not shown), for example.

受信器(図示せず)は、送信されてきた信号を受信し、さらにその信号を解析して、信号VおよびE〜Eを回復する。この受信器は次に、信号E〜Eを解読して信号W〜Wを回復し、さらに再合成して元の信号Xを得る。 Receiver (not shown) receives the signal transmitted, further analyzes the signals to recover the signal V 5 and E 1 to E 5. The receiver then recovers the signal W 1 to W-5 decodes the signals E 1 to E 5, obtain the original signal X and further re-synthesis.

シンセサイザー36は、信号E〜Eを再構築するが、この場合シンセサイザーの出力ポートに与えられる再構築された結果の信号X’がナイキスト帯域幅を超えて占有することがないようにすべきである。かくして、最高周波数暗号化ステージのサンプリング周波数を、送信チャネルの上側カットオフ周波数の2倍に対応させることは可能である。 The synthesizer 36 reconstructs the signals E 1 -E 5 in this case so that the reconstructed signal X ′ provided to the synthesizer output port does not occupy beyond the Nyquist bandwidth. It is. Thus, it is possible to make the sampling frequency of the highest frequency encryption stage correspond to twice the upper cutoff frequency of the transmission channel.

シンセサイザーの出力ポートに与えられる再構築された暗号化信号X’は勿論、導入された付加的雑音に起因して、異なる(雑音的な)電力スペクトルと、異なる平均総電力とを有する。入力信号電力は、総チャネル電力を制限するために減少させられる。総チャネル電力を制限する手段は、暗号解読器とADCを同期させることに使用されるパイロットトーンの振幅を使用することによって、電力ファクターを受信器へ送信する手段を含む。これらのパイロットトーンは、例えば位相同期ループによってADCのクロックを求めることに使用されるもので、明示狭帯域トーンとして与えられる。あるいは、これらのパイロットトーンは、残差W’に付加されて、この残差の真の値を隠すための秘密符号化シーケンスとして与えられる。受信器は、時間同期を確立するために、適切な残差と相互に関係する。この方法によって同期を獲得するに必要とされる好適な相関関係を有する特定の符号化されたシーケンス(例えば、GOLD符号やJPLレンジ符号)は、スペクトラム拡散通信方式の分野で知られている。   The reconstructed encrypted signal X 'applied to the synthesizer output port will of course have a different (noisy) power spectrum and a different average total power due to the additional noise introduced. The input signal power is reduced to limit the total channel power. The means for limiting the total channel power includes means for transmitting the power factor to the receiver by using the amplitude of the pilot tone used to synchronize the decryptor and the ADC. These pilot tones are used, for example, to determine the ADC clock by a phase locked loop and are given as explicit narrowband tones. Alternatively, these pilot tones are added to the residual W 'and provided as a secret coding sequence to hide the true value of this residual. The receiver correlates with the appropriate residual to establish time synchronization. Certain coded sequences (eg, GOLD codes or JPL range codes) having a suitable correlation required to obtain synchronization by this method are known in the field of spread spectrum communication systems.

さらには、暗号化装置は、受信器からの信号を、元の入力信号とほぼ同程度に確実に回復させる。但し、チャネルからの雑音と、送信器および受信器の末端部内におけるADC変換器の不正確な時間同期に起因した雑音的な変動は、存在する。   Furthermore, the encryption device reliably recovers the signal from the receiver to approximately the same extent as the original input signal. However, there are noisy variations due to noise from the channel and inaccurate time synchronization of the ADC converter in the end of the transmitter and receiver.

信号暗号化装置は、線路等化用の手段(図示せず)も備える。そのような手段は、モデム設計の分野の当業者には周知である。周波数シフトおよび位相シフトを伴う線路損失の変化は、適応フィルタ処理によって補償される。しばしば、フィルタパラメータを設定するための既知のエネルギの先駆バーストと、受信信号の一定の質に基づいて等化器の係数を周期的に修正するための手段とを有する。 The signal encryption apparatus also includes means (not shown) for line equalization. Such means are well known to those skilled in the modem design arts. Line loss changes with frequency shift and phase shift are compensated by adaptive filtering. Often, it has a precursor burst of known energy for setting the filter parameters and means for periodically modifying the coefficients of the equalizer based on a constant quality of the received signal.

ここで留意されるべき点は、信号暗号化装置32で入力信号Xの値がゼロに設定される場合、信号暗号化装置の出力信号X’は、暗号化乱数発生器によって発生されたランダムノイズに対応するということである。かくして、この場合には、信号暗号化装置32は、広帯域の乱数発生器として作用する。このように、信号暗号化装置は、線路等化過程で使用される線路上の信号を与えるための発生器として使用される。   It should be noted that when the value of the input signal X is set to zero in the signal encryption device 32, the output signal X ′ of the signal encryption device is generated by random noise generated by the encryption random number generator. It corresponds to that. Thus, in this case, the signal encryption device 32 acts as a broadband random number generator. Thus, the signal encryption apparatus is used as a generator for providing a signal on a line used in a line equalization process.

さらには、アナライザーは、各チャネルのチャネル応答を測定することに使用される。かくして、シンセサイザーが各チャンネルにテスト信号を与える場合、アナライザーは、各チャネルのチャネル応答を測定して、各チャンネルの損失を決定する。このようにして、アナライザーとシンセサイザーは、線路等化法を与えるために使用される。   Furthermore, the analyzer is used to measure the channel response of each channel. Thus, when the synthesizer provides a test signal to each channel, the analyzer measures the channel response of each channel to determine the loss of each channel. In this way, the analyzer and synthesizer are used to provide a line equalization method.

図4に関連して以下で説明されるように、この概念は更に、送信端ではシンセサイザーだけを、また受信端ではアナライザーだけを使用することに洗練される。 As explained below in connection with FIG. 4 , this concept is further refined to use only a synthesizer at the transmitting end and only an analyzer at the receiving end.

ツリーでの遅延(Delay)は、以下の式に対応する。   The delay in the tree (Delay) corresponds to the following equation.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、Lはツリー内のレベルの数である。かくして、5レベルのツリーのツリー過程は、31サンプルだけの比較的短い遅延を導入する。同様に、カスケードシステムについては、各信号経路内の遅延は、Lがカスケードの特別な経路のステージの数に対応する場合の上記等式によって与えられるものと信じられている。人間の聴力は、殆どの伝送媒体に見られる混成結合器からのエコーに感受性があるので、この短い遅延は、望ましい特徴である。   Here, L is the number of levels in the tree. Thus, the tree process of a five level tree introduces a relatively short delay of only 31 samples. Similarly, for cascaded systems, it is believed that the delay in each signal path is given by the above equation where L corresponds to the number of stages in the special path of the cascade. This short delay is a desirable feature because human hearing is sensitive to echoes from hybrid couplers found in most transmission media.

図3を参照すると、高信頼性信号を送受信するための送受信システム40は、送信部40aと、受信部40bとを備える。送信部40aは、信号調整回路41を有する。この回路は、好ましくはそこへ供給されるアナログ信号に対してナイキストフィルタ処理をするように好ましく選択されたフィルタ特性を有する入力フィルタ42を含んでいる。このフィルタ42は、アナログ信号をアナログ/デジタル変換器(ADC)43に結合する。この変換器は、受信したアナログ信号を、このアナログ信号を表すデジタル信号に変換する。 Referring to FIG. 3 , a transmission / reception system 40 for transmitting / receiving a high reliability signal includes a transmission unit 40a and a reception unit 40b. The transmission unit 40 a includes a signal adjustment circuit 41. The circuit preferably includes an input filter 42 having filter characteristics that are preferably selected to Nyquist filter the analog signal supplied thereto. This filter 42 couples the analog signal to an analog / digital converter (ADC) 43. The converter converts the received analog signal into a digital signal representing the analog signal.

ADC43の入力ポートに供給されたアナログ信号は、増幅器または他の前処理回路(図示せず)を通してADC43に供給される。好ましくは、低雑音増幅器や緩衝増幅器のような信号前処理回路は、比較的広帯域の増幅器であって、さらにはその増幅器の帯域にわたって比較的低レベルの位相分散を有するものとして特徴付けられる。即ち、この増幅器は、増幅出力信号に位相シフトを与える。この位相シフトは、少なくとも送信信号の帯域にわたって、そこからの増幅出力信号と実質的に等しい。さらに、ADC43のサンプリングレートは、ナイキストサンプリング周波数の2倍より大きい(即ち、入力スペクトラムにおける最高周波数成分信号の周波数の2倍より大きい)ことが望ましい。   The analog signal supplied to the input port of the ADC 43 is supplied to the ADC 43 through an amplifier or other pre-processing circuit (not shown). Preferably, the signal preprocessing circuit, such as a low noise amplifier or a buffer amplifier, is characterized as a relatively wideband amplifier, and even having a relatively low level of phase dispersion over the band of the amplifier. That is, this amplifier gives a phase shift to the amplified output signal. This phase shift is substantially equal to the amplified output signal therefrom, at least over the bandwidth of the transmitted signal. Furthermore, it is desirable that the sampling rate of the ADC 43 is greater than twice the Nyquist sampling frequency (that is, greater than twice the frequency of the highest frequency component signal in the input spectrum).

ADC43は、所定のサンプリングレートに従ってフィルタ42から与えられる信号を変換して、デジタルワードのストリームを与える。ADC43の出力で、そのようなデジタルワードのストリームは、信号暗号化回路44に供給される。   The ADC 43 converts the signal provided from the filter 42 according to a predetermined sampling rate, and provides a digital word stream. At the output of the ADC 43, such a stream of digital words is supplied to the signal encryption circuit 44.

信号暗号化回路44は、そこへ供給された信号を適切に分解して複数の信号にするアナライザー46と、分解された信号を暗号化する暗号化回路48と、そこへ供給された信号を組み合わせて再構築された暗号化信号にするシンセサイザー50とを備える。信号暗号化回路44は、図2に関連して上述され信号暗号化回路32と同じタイプであって、同様の手法で動作する。 The signal encryption circuit 44 combines the analyzer 46 appropriately decomposing the signal supplied thereto into a plurality of signals, the encryption circuit 48 encrypting the decomposed signal, and the signal supplied thereto. And a synthesizer 50 for making a reconstructed encrypted signal. The signal encryption circuit 44 is of the same type as the signal encryption circuit 32 described above in connection with FIG. 2 and operates in a similar manner.

信号暗号化回路44は、秘密数を残差W’に加算することによって、信号を暗号化する。この場合、秘密数の値は、送信側と受信側だけに知られている。そのような追加は、典型的にはモジュロ2でなされる。即ち、ビット毎の排他的論理和(XOR)関数を残差信号に与えることによって、である。そのような追加はまた、単純にモジュロをデータの実際のデータサイズに加えることによっても達成される。   The signal encryption circuit 44 encrypts the signal by adding the secret number to the residual W ′. In this case, the secret number value is known only to the transmitting side and the receiving side. Such addition is typically made modulo-2. That is, by applying a bitwise exclusive OR (XOR) function to the residual signal. Such addition is also accomplished by simply adding modulo to the actual data size of the data.

暗号化装置48は、そのようにすることが要求される時間の数に基づいて異なる秘密数を与えるタイプか、出力がその入力だけに依存するタイプの秘密数発生器として提供される。後者のタイプは、しばしば自己同期的である。前者のタイプは、受信器が何らかの理由で送信器とのビットまたはワード同期を失なった場合に、符号化装置と解読装置との間の同期を失うことがある。   The encryption device 48 is provided as a secret number generator of a type that gives a different secret number based on the number of times it is required to do so, or whose output depends only on its input. The latter type is often self-synchronizing. The former type can lose synchronization between the encoder and decoder if the receiver loses bit or word synchronization with the transmitter for any reason.

暗号化装置48は、複数のチャネル間の順列演算を提供する。その代わりに、暗号化装置48は、置換演算を提供する。あるいはその代わりに、暗号化装置48は、図2に関連して説明された論理または演算を提供する。 The encryption device 48 provides permutation operations between multiple channels. Instead, the encryption device 48 provides a replacement operation. Alternatively, the encryption device 48 provides the logic or operation described in connection with FIG .

信号暗号化回路44は、再構築された暗号化信号を、出力信号調整回路51の入力ポートに供給する。この回路は、デジタル/アナログ変換器(DAC)52を有する。この変換器は、対数ADCとして与えられるもので、例えばそこへ供給される暗号化されたビットストリームを、この暗号化されたビットストリームを表すアナログ信号に変換する。次に、このアナログ信号は、上述したように適切に選択されたフィルタ特性を有する出力フィルタ54に供給される。このフィルタ54は、そこへ供給された信号を、例えば電話回線として与えられる送信チャネル56の第1の端部へ結合する。この送信チャネル56の第2の端部は、送受信システム40の受信部40bへ結合される。   The signal encryption circuit 44 supplies the reconstructed encrypted signal to the input port of the output signal adjustment circuit 51. This circuit has a digital / analog converter (DAC) 52. This converter is given as a logarithmic ADC and converts, for example, the encrypted bit stream supplied thereto into an analog signal representing this encrypted bit stream. This analog signal is then fed to an output filter 54 having filter characteristics appropriately selected as described above. This filter 54 couples the signal supplied thereto to a first end of a transmission channel 56 which is provided, for example, as a telephone line. The second end of the transmission channel 56 is coupled to the receiver 40b of the transceiver system 40.

一般的な概観では、受信部40bは、そこへ供給された高信頼性信号を受信し、そしてその信号を解読して、明瞭なテキスト信号を出力ポートに与える。送受信システム40の受信部40bは、暗号化された信号を、入力信号調整回路57を通して、適切に選択されたフィルタ特性を有する入力フィルタ58の入力ポートで受信する。入力フィルタ58は、この信号をADC60へ結合する。このADC60は、アナログ信号を変換し、上述したと同様の手法で、デジタルワードのストリームを与える。フィルタ58は、ADC60のサンプリング周波数の1/2に対応するローパスフィルタ周波数カットオフ特性を有するように与えられる。ADC60は、デジタルワードのストリームを解読回路61に供給する。この解読回路61は、そこへ供給された信号を複数の信号に分解するアナライザー62と、解読装置回路64とを有する。   In general overview, the receiver 40b receives the reliable signal supplied thereto and decodes the signal to provide a clear text signal to the output port. The receiving unit 40b of the transmission / reception system 40 receives the encrypted signal through the input signal adjustment circuit 57 at the input port of the input filter 58 having an appropriately selected filter characteristic. Input filter 58 couples this signal to ADC 60. The ADC 60 converts the analog signal and provides a stream of digital words in the same manner as described above. The filter 58 is provided to have a low-pass filter frequency cutoff characteristic corresponding to 1/2 of the sampling frequency of the ADC 60. The ADC 60 supplies a stream of digital words to the decryption circuit 61. The decoding circuit 61 includes an analyzer 62 that decomposes a signal supplied thereto into a plurality of signals, and a decoding device circuit 64.

システムの送信部40aの符号化回路48が秘密数を使用して信号を暗号化した場合には、解読装置回路64は、その秘密数を減算して、元のデータを回復する。   When the encoding circuit 48 of the transmission unit 40a of the system encrypts the signal using the secret number, the decryption device circuit 64 subtracts the secret number to recover the original data.

解読装置とシンセサイザー64、66の組み合わせは、送信器における暗号化装置48とアナライザー46の組み合わせの逆関数演算を行い、そして解読され、適切に再合成された信号を、デジタル/アナログ変換器(DAC)68へ供給する。このDAC68は、そこへ供給されたビットストリームに対応したアナログ信号を与え、そしてそのアナログ信号を、上述したように適切に選択されたフィルタ特性を有する受信器出力フィルタに供給する。 The combination of the decryptor and synthesizer 64 , 66 performs the inverse function operation of the combination of the encryptor 48 and analyzer 46 at the transmitter, and the decrypted and appropriately recombined signal is converted to a digital / analog converter (DAC). ) 68. The DAC 68 provides an analog signal corresponding to the bitstream supplied thereto and supplies the analog signal to a receiver output filter having appropriately selected filter characteristics as described above.

アナライザーとシンセサイザーがカスケード型またはツリー型として与えられた場合は、上述したように、レベルの数は、典型的には、入力信号帯域幅の下限によって決定される。かくして、殆どの応用に対する実際の必要条件は、ハイパスまたはバンドパスフィルタ特性を有したプリフィルタ(図示せず)を、信号調整回路41の前段に配設することである。   If the analyzer and synthesizer are given as a cascade or tree, as described above, the number of levels is typically determined by the lower limit of the input signal bandwidth. Thus, the actual requirement for most applications is to place a pre-filter (not shown) having high-pass or band-pass filter characteristics in front of the signal conditioning circuit 41.

どの場合にも、そのようなフィルタが与えられるか、与えられないかにかかわらず、送信側および受信側のシステムは、通信リンク56の帯域幅を超えた帯域幅を有した信号を回復しない。通信リンク56が電磁気的または音波的なエネルギによって与えられる応用では、そのリンクの帯域幅は一般的に、例えば単一のテレビ(TV)チャネルのような実用上の限界を有する。   In any case, regardless of whether or not such a filter is provided, the transmitting and receiving systems will not recover signals with bandwidth that exceeds the bandwidth of the communication link 56. In applications where the communication link 56 is provided by electromagnetic or sonic energy, the bandwidth of the link typically has practical limits, such as a single television (TV) channel.

図4を参照すると、信号暗号化システム72は、入力ポートでアナログ信号を受信し、そのアナログ信号をフィルタ処理し、さらにフィルタ74とADC76を通して、図4に関連して上述されたと同じ手法で、第1のビットストリームに変換する。このビットストリームは、ADC76から信号暗号化装置78に供給される。信号暗号化装置78は、これらの信号を、分離された信号チャネル上で直接受信する。乱数発生器80が信号暗号化装置78に結合され、ランダムなビットストリームを信号暗号化装置78に供給する。このランダムなビットストリームは、第1のビットストリームを修正して、暗号化された信号を与える。信号暗号化装置78は、これらの信号を組み合わせ、その出力ポートに再構築された暗号化信号を与える。 Referring to FIG. 4 , signal encryption system 72 receives an analog signal at an input port, filters the analog signal, and further through filter 74 and ADC 76 in the same manner as described above in connection with FIG. Convert to the first bitstream. This bit stream is supplied from the ADC 76 to the signal encryption device 78. The signal encryption device 78 receives these signals directly on the separated signal channel. A random number generator 80 is coupled to the signal encryption device 78 and provides a random bit stream to the signal encryption device 78. This random bit stream modifies the first bit stream to provide an encrypted signal. The signal encryption device 78 combines these signals and provides the reconstructed encrypted signal at its output port.

暗号化された信号は、次に信号暗号化装置78からDAC82の入力ポートに供給される。このDAC82は、暗号化されたビットストリームをアナログ信号に変換する。このアナログ信号は、適切にフィルタ処理された信号を与えるフィルタ84を通して、信号組み合わせ回路86の入力ポートに結合される。   The encrypted signal is then supplied from the signal encryption device 78 to the input port of the DAC 82. The DAC 82 converts the encrypted bit stream into an analog signal. This analog signal is coupled to the input port of the signal combination circuit 86 through a filter 84 that provides an appropriately filtered signal.

タイミング回路87は、タイミング信号を与えるためのタイミング信号発生器88を有する。このタイミング回路87は、受信器92に対して、アナログかデジタルのタイミング信号を与える。このため、ここではオプションのADC90が、タイミング信号発生器88と加算回路86との間に結合されている。DAC82がタイミング回路87に含まれている場合は、タイミング信号は、オプションの信号経路91’を通してDAC82のデジタル入力ポートへ供給される。ADC90が省略される場合は、タイミング信号は、図示のように信号経路91を通して加算回路86へ供給される。 The timing circuit 87 has a timing signal generator 88 for providing a timing signal. The timing circuit 87 provides an analog or digital timing signal to the receiver 92. For this reason, an optional ADC 90 is here coupled between the timing signal generator 88 and the adder circuit 86. If the DAC 82 is included in the timing circuit 87 , the timing signal is provided to the digital input port of the DAC 82 through an optional signal path 91 '. If the ADC 90 is omitted, the timing signal is supplied to the adder circuit 86 through the signal path 91 as shown.

ここで留意されるべきであり、しかも当業者が認識することになる点は、上記の等式に従って動作するアナライザーおよびシンセサイザーを使用したアナログ通信リンクの受信端における情報の回復に内在するものは、システムの送信部と受信部がサンプリングの確実な時間で一致するように、システムの送信部のADCとシステムの受信部のDACを同期させる必要性である、ということである。同期における大きな不正確さは、受信器から訳の判らない言葉を生じさせる。タイミング同期の小さな統計的なジッターは、リンク上の雑音と同様の影響を与える。   It should be noted here that those skilled in the art will recognize that the inherent recovery of information at the receiving end of an analog communication link using an analyzer and synthesizer operating according to the above equation is: This means that it is necessary to synchronize the ADC of the transmission unit of the system and the DAC of the reception unit of the system so that the transmission unit and the reception unit of the system coincide with each other with a certain sampling time. A large inaccuracy in synchronization results in words that cannot be translated from the receiver. Small statistical jitter of timing synchronization has a similar effect as noise on the link.

タイミングおよび同期方式は、当業者には知られている。例えば1つの方法では、送信部のサンプリングレートにロックされた(即ち、由来する)発振器は、リンクを通して送信される。受信された発振器信号は、受信器のサンプリング用クロック信号を(例えば、位相同期ループ技術によって)得ることに使用される。高信頼性の送受信システム40(図3)で述べられたように、タイミング情報は、暗号化装置と解読装置にそれぞれ適用される。 Timing and synchronization schemes are known to those skilled in the art. For example, in one method, an oscillator locked to (ie derived from) the sampling rate of the transmitter is transmitted over the link. The received oscillator signal is used to obtain a receiver sampling clock signal (eg, by a phase locked loop technique). As described in the reliable transmission / reception system 40 ( FIG. 3 ), the timing information is applied to the encryption device and the decryption device, respectively.

カスケード型またはツリー型のアナライザーおよびシンセサイザーを使用するシステム(図1A〜1D)では、2種類のタイミング信号が必要とされる。これは、システムの送信部における固有の遅延が、同期されるべき信号ビットだけでなく、「ワード」を有効に定義するからである。そのようなワード同期は、第2の送信側発振器を設けることによって達成される。この第2の発振器は、第1の発振器にロックされる(その代わりに、第1の発振器が第2の発振器にロックされ、かくしてワード同期だけを必要とする)。また、第2の発振器は、カスケード中のレベルの数と、与えられるシステム(即ち信号暗号化装置、信号圧縮器またはモデム)のタイプとに依存したレートで動作する。このような発振器信号は、システム情報と同じ帯域幅を占有することがある。これは、その発振器信号が、既知の周波数および一定振幅の信号を除去するための既知の技術によって減算されるからである。実際には、これら2種類の発振器は、特別な周波数と特別な振幅を有する信号を与えることが好ましい。実際には、これら2種類の発振器は、リンクの帯域限界を超えない必要条件を維持しながら、システム情報の周波数帯域幅の最も上側および下側の帯域エッジを規定する周波数に対応した周波数を有する信号にロックされることが好ましい。 In a system using a cascade or tree analyzer and synthesizer ( FIGS. 1A to 1D), two types of timing signals are required. This is because the inherent delay in the transmission part of the system effectively defines “words” as well as signal bits to be synchronized. Such word synchronization is achieved by providing a second transmitter oscillator. This second oscillator is locked to the first oscillator (instead, the first oscillator is locked to the second oscillator, thus requiring only word synchronization). The second oscillator also operates at a rate that depends on the number of levels in the cascade and the type of system (ie, signal encryption device, signal compressor or modem) provided. Such an oscillator signal may occupy the same bandwidth as the system information. This is because the oscillator signal is subtracted by known techniques for removing signals of known frequency and constant amplitude. In practice, these two types of oscillators preferably provide signals having a special frequency and a special amplitude. In practice, these two types of oscillators have frequencies corresponding to the frequencies that define the upper and lower band edges of the system information frequency bandwidth while maintaining the requirement not to exceed the bandwidth limit of the link. Preferably it is locked to the signal.

添付されているシステム情報信号から干渉信号(即ち、受信した発振器信号)を除去する1つの方法は、結果として得られる差が、既知の(受信された)発振器に対する狭帯域の相関をもはや含まなくなるまで、既知の(受信された)周波数の量を減算するフィードバックループを形成することである。位相同期ループの動作は、入力信号に局部発振器(これは、受信されたタイミング信号にロックされる)を乗じ、その結果をローパスフィルタで積分することである。   One way to remove the interference signal (ie, the received oscillator signal) from the attached system information signal is that the resulting difference no longer includes a narrowband correlation to the known (received) oscillator. Up to forming a feedback loop that subtracts the amount of known (received) frequency. The operation of the phase locked loop is to multiply the input signal by a local oscillator (which is locked to the received timing signal) and integrate the result with a low pass filter.

システムの送信部と受信部との間のタイミング同期のもう1つの方法は、図7に関連して以下で説明される。 Another method of timing synchronization between the receiver transmitter unit of the system is described below in conjunction with FIG.

図5を参照すると、アナログ媒体を通してデジタルデータを伝送するためのシステム94は、変調器−復調器(モデム)95を含む。ここでは、モデム95の変調器部分だけが図示されている。モデム95は、デジタルデータを、データ伝送用に適切に選択された所定の長さを有するフレームまたはバイトに形成するためのデータアセンブリユニット96を有する。このデータアセンブリユニットは、データをシンセサイザー98の入力ポートに供給する。このシンセサイザー98は、図1に関連して上述されたサブシンセサイザー20の技術に従って、データをビットストリームに形成する。即ち、ここでは、送信されるデジタルデータがシンセサイザーの残差入力W’ W’ に適用される。このデータは、暗号化シーケンスを与える乱数発生器(図示せず)によって暗号化される。この暗号化シーケンスは、秘密シーケンスであることもあれば、無いこともある。 With reference to FIG. 5 , a system 94 for transmitting digital data over an analog medium includes a modulator-demodulator (modem) 95. Here, only the modulator portion of the modem 95 is shown. The modem 95 has a data assembly unit 96 for forming digital data into frames or bytes having a predetermined length appropriately selected for data transmission. This data assembly unit supplies data to the input port of the synthesizer 98. The synthesizer 98 forms the data into a bitstream in accordance with the sub-synthesizer 20 technique described above with respect to FIG . That is, here, the digital data to be transmitted is applied to the residual inputs W ′ 1 to W ′ N of the synthesizer. This data is encrypted by a random number generator (not shown) that provides an encryption sequence. This encryption sequence may or may not be a secret sequence.

シンセサイザー98は、ビットストリームを、DAC100の入力ポートに供給する。このDAC100は、非線形応答特性を有するように設けられ、そこへ供給されたビットストリームに対応するアナログ信号を発生する。ナイキストのサンプリング定理の手順に従うと、送信側からのデジタル化されたサンプルは、DAC100によって、供給されたデジタル信号を表すアナログ信号に変換されるべきである。このアナログ信号は次に、ローパスフィルタ特性を有したフィルタ102で、エイリアス除去用にフィルタ処理される。このフィルタ102は、好ましくは比較的急なフィルタースカートと、サンプリングレート周波数の1/2に対応するカットオフ周波数とを有したものである。フィルタ処理された信号は、加算回路104の第1の入力ポートに結合される。タイミング回路106は、タイミング信号を加算回路の第2の入力ポートに供給する。この加算回路は、そこへ供給された2つのアナログ信号を重ね合わせる。この代わりに、タイミング信号を、シンセサイザー98の入力ポートを通して送信することもできる。   The synthesizer 98 supplies the bit stream to the input port of the DAC 100. The DAC 100 is provided so as to have a non-linear response characteristic, and generates an analog signal corresponding to the bit stream supplied thereto. According to the procedure of the Nyquist sampling theorem, the digitized samples from the transmission side should be converted by the DAC 100 into an analog signal representing the supplied digital signal. This analog signal is then filtered for alias removal by a filter 102 having a low pass filter characteristic. This filter 102 preferably has a relatively steep filter skirt and a cut-off frequency corresponding to half the sampling rate frequency. The filtered signal is coupled to the first input port of summing circuit 104. The timing circuit 106 supplies a timing signal to the second input port of the adder circuit. This adder circuit superimposes two analog signals supplied thereto. Alternatively, the timing signal can be transmitted through the synthesizer 98 input port.

重ね合わされたアナログ信号は、アナログ伝送リンク107(例えば、電話回線)を通して受信器108へ送信される。ここでは、タイミング信号を使用して受信器用のタイミングデータを与え、これによりアナログ信号からビットストリームを回復できるようにする。本発明によって構築されたモデムは、伝送リンク用に、そのリンクの信号対雑音比とシャノンの法則に基づいて、理論的に可能な最高データレートまたはその付近で動作するものと信じられている。   The superimposed analog signal is transmitted to the receiver 108 through an analog transmission link 107 (eg, a telephone line). Here, the timing signal is used to provide timing data for the receiver so that the bit stream can be recovered from the analog signal. A modem constructed in accordance with the present invention is believed to operate for a transmission link at or near the highest theoretically possible data rate, based on the link's signal-to-noise ratio and Shannon's law.

受信器108では、受信器のサンプリングレート周波数の1/2以上の周波数帯のほぼ全ての雑音が、ローパスフィルタ特性および受信器のサンプリングレート周波数の1/2以上のカットオフ周波数を有するフィルタによってフィルタ処理されるべきである。伝送リンク107が、400Hz〜3200Hzの周波数を有する信号を伝送するものとして与えられる場合、入力信号は、典型的に約6400bpsのサンプリングレートでサンプリングされる。   In the receiver 108, almost all noise in a frequency band of 1/2 or more of the sampling rate frequency of the receiver is filtered by a filter having a low-pass filter characteristic and a cutoff frequency of 1/2 or more of the sampling rate frequency of the receiver. Should be processed. When transmission link 107 is provided as transmitting a signal having a frequency between 400 Hz and 3200 Hz, the input signal is typically sampled at a sampling rate of about 6400 bps.

典型的に約3200Hzの周波数を有する信号トーンは、タイミング回路によって与えられ、そして送信信号に加えられ、更に受信器のADCクロックを同期させる1つの手段としての受信器で位相同期される。このトーンは、既知の振幅および周波数を有するように与えられるので、受信器でフィルタ除去されるのではなく、減算される。かくして、データ損失は起こらない。   A signal tone, typically having a frequency of about 3200 Hz, is provided by a timing circuit and added to the transmitted signal and further phase synchronized with the receiver as one means of synchronizing the receiver's ADC clock. Since this tone is given to have a known amplitude and frequency, it is subtracted rather than filtered at the receiver. Thus, no data loss occurs.

同様に、典型的に約400Hzの周波数を有する信号トーンは、入力を備えるワードを全てのカスケードレベルに公式化するためのワード同期を与えることに使用される。400Hz以下の周波数帯の信号は、半−全二重モデムにおける線路のターンアラウンド用に信号伝送するために、また逆チャネルデータおよびネットワーク情報を送信するために使用できる。カスケードレベル毎のビットは、送信されるデータの単位当たりの最大電力およびシャノン限界に達するまで増加される。   Similarly, signal tones, typically having a frequency of about 400 Hz, are used to provide word synchronization to formulate words with inputs to all cascade levels. Signals in the frequency band below 400 Hz can be used for signaling for line turnaround in half-full duplex modems and for transmitting reverse channel data and network information. The bits per cascade level are increased until the maximum power per unit of transmitted data and the Shannon limit are reached.

さらには、N符号中のM(N中のM冗長ビット)のような誤り訂正符号と、スクランブル信号とは、モデムの分野の当業者には知られているように、入力データワードに適用される。   In addition, error correction codes such as M in N codes (M redundant bits in N) and scrambled signals are applied to input data words as known to those skilled in the modem art. The

図6を参照すると、コード化モデム110は、直接シーケンス符号化方式を使用する。この場合、各データワードは、一連の符号ビット中の全てのビットを変調し、1より多い信号は、リンクを同時に共用する。共用される信号Sは、例えば、音声信号、テレビ(TV)信号、またはファクシミリ(FAX)信号として与えられる。この代わりに、共用される信号Sは、直交符号シーケンスで動作する同じタイプの追加されたモデムから与えられる。 Referring to FIG. 6 , the coded modem 110 uses a direct sequence coding scheme. In this case, each data word modulates all bits in a series of sign bits, and more than one signal shares the link simultaneously. Signal S 2 to be shared, for example, audio signals are given as a television (TV) signal or a facsimile (FAX) signal. Alternatively, the signal S 2 to be shared is given from the added modem of the same type operating in the orthogonal code sequence.

コード化モデム110は、符号化動作を与えるためのコーダ112を有する。符号化された信号は、シンセサイザー114に供給される。このシンセサイザー114は、雑音的な周波数スペクトラムを有した比較的広帯域の信号を、加算回路116の入力ポートに与える。共用信号は、この加算回路の第2の入力ポートに供給される。この加算回路は、そこへ供給された信号を伝送線路117の第1の端部に結合する。   The coded modem 110 has a coder 112 for providing an encoding operation. The encoded signal is supplied to the synthesizer 114. The synthesizer 114 provides a relatively wideband signal having a noisy frequency spectrum to the input port of the adder circuit 116. The shared signal is supplied to the second input port of the adder circuit. This summing circuit couples the signal supplied thereto to the first end of the transmission line 117.

変調器部分では、信号タップ118が、伝送線路117を通して送信されてきた信号の一部をオプションの信号処理器124に供給する。この信号処理器124は、処理された信号を受信器125に供給する。   In the modulator portion, the signal tap 118 supplies a part of the signal transmitted through the transmission line 117 to the optional signal processor 124. The signal processor 124 supplies the processed signal to the receiver 125.

コーダ112の符号は、良好な自己および相互相関特性を有するように選択される。かくして、モデムが、共用信号に対して低電力で動作する時でさえも、モデムのデータは回復される。   The code of the coder 112 is selected to have good auto and cross correlation properties. Thus, modem data is recovered even when the modem operates at low power for shared signals.

共用デバイス、例えばTV受信器として与えられる受信器125に対して、モデム信号は小さな背景ランダム雑音として現れる。しかしながら、共用信号が、符号シーケンスCを含んだ信号処理器124を通して、TV受信器125に結合される場合、TV受信器124におけるモデム「干渉」の殆どまたはほぼ全ては、相関のある雑音を相殺するための既知の記述によって除去される。   For a receiver 125 provided as a shared device, for example a TV receiver, the modem signal appears as a small background random noise. However, if the shared signal is coupled to the TV receiver 125 through the signal processor 124 containing the code sequence C, most or nearly all of the modem “interference” at the TV receiver 124 will cancel the correlated noise. To be removed by a known description.

コード化モデム110は、符号化動作Cを与えるためのコーダ112と、相関動作C^を与えるためのデコーダ122とを有する。相関動作では、受信されたシーケンスと記憶されている符号Cとの積をデジタル的に積分することによって、データが回復される。リンクを共有する信号は、典型的にはゼロ付近に統合する傾向にある。これは共有された伝送が選択された符号Cと相関がないからである。共有信号に対するオプションの干渉相殺動作は、信号処理器124によって行われる。 The coded modem 110 has a coder 112 for providing an encoding operation C and a decoder 122 for providing a correlation operation C ^. In the correlation operation, the data is recovered by digitally integrating the product of the received sequence and the stored code C. Signals sharing a link typically tend to integrate near zero. This is because the shared transmission is not correlated with the selected code C. An optional interference cancellation operation on the shared signal is performed by the signal processor 124.

コード化モデム110の送信部と受信部との間でタイミング同期をとる方法が、以下で説明されるが、この方法を説明する前に留意されるべき点は、この方法はコード化モデムの文脈内では明瞭に説明できるものの、この方法がまた、僅かな変更で他のシステム、例えば図2〜4に関連して上述された信号暗号化システムや、図9に関連して以下で説明される信号圧縮システムにも適用できるということである。 A method of timing synchronization between the transmitter and receiver of the coded modem 110 is described below, but it should be noted before describing this method that the method is in the context of the coded modem. Although it can be clearly described within, this method will also be described with reference to other systems such as the signal encryption system described above in connection with FIGS. It can also be applied to signal compression systems.

信号W の少なくとも1つは、既知の相関特性を有するシーケンスにされる。カスケードシンセサイザーでは、「ワード」同期が必要とされるので、選択された信号W’ は、最低のバンド内サンプルレートを有する信号に対応することが好ましい。しかしながら、直接シーケンスコード化モデムでは、全てのW’ がそのように符号化されるという点に留意されるべきである。 At least one of the signals W 'k is a sequence having a known correlation properties. Since cascade synthesizers require “word” synchronization, the selected signal W ′ k preferably corresponds to the signal with the lowest in-band sample rate. However, it should be noted that in a direct sequence coded modem, all W ′ k are encoded as such.

好適な符号シーケンスには、JPL、GOLD符号およびウォルシュ符号のように多くの例がある。説明のために、そして制限するためにではなく、ウォルシュ符号(ハダマードコードとしても知られる)が説明される。ウォルシュ符号の核は、次のように与えられる。   There are many examples of suitable code sequences, such as JPL, GOLD code and Walsh code. For purposes of explanation and not limitation, Walsh codes (also known as Hadamard codes) are described. The core of the Walsh code is given as follows.

Figure 0004255376
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高次の符号は、レベルを核に代入することによって、以下に示されるようになる。   Higher order codes are shown below by substituting levels into the kernel.

Figure 0004255376
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これは、以下のようにコンパクトに表現される。   This is expressed compactly as follows.

Figure 0004255376
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多くの他の符号(例えば、GOLD符号)は、「良好な」相関特性を有するものとして知られている。相関とは、2つの値を持つ二値の場合(+1,−1)、乗算と積分は、シーケンスのベクタードット積まで減少することを意味する。2つの同じ符号のドット積は、所定の出力(即ち、(Code1)DOT(Code1)=4)を与える。しかしながら、2つの異なる符号のドット積は、ゼロ出力(即ち、(code1)DOT(code2,3,4)=0)を与える。同様に、この関係はまた、他の3つの符号のそれぞれに付いても真である。かくして、これらは直交符号である。   Many other codes (eg, GOLD codes) are known to have “good” correlation properties. Correlation means that in the case of a binary value with two values (+1, −1), multiplication and integration decrease to the vector dot product of the sequence. The dot product of two identical codes gives a given output (ie (Code1) DOT (Code1) = 4). However, the dot product of two different codes gives a zero output (ie (code1) DOT (code2,3,4) = 0). Similarly, this relationship is also true for each of the other three codes. Thus, these are orthogonal codes.

大きな自己相関と小さな相互相関を有する非直交符号もまた好適である。そして、そのような符号のいくつかは、スライディング相関器での迅速な同期獲得にとって特に良好であると知られている。スライディング相関器の一例は、code3によって作られる。ワード同期が未知の場合(この論議では、ビット同期は既知であると仮定する)、4つの可能性の1つが受信側の相関器で起こる。それらは、以下の通りである。   Non-orthogonal codes with large autocorrelation and small cross-correlation are also suitable. And some of such codes are known to be particularly good for rapid synchronization acquisition in a sliding correlator. An example of a sliding correlator is made by code3. If word synchronization is unknown (in this discussion, bit synchronization is assumed to be known), one of four possibilities occurs at the receiving correlator. They are as follows.

+1+1−1−1 受信器のワードクロックの仮定されたタイミング
+1−1−1+1 受信されたパターンの可能性1
−1−1+1+1 可能性2
−1+1+1−1 可能性3
+1+1−1−1 可能性4
+ 1 + 1-1-1 Assumed timing of receiver word clock + 1-1-1 + 1 Possibility of received pattern 1
-1-1 + 1 + 1 Possibility 2
-1 + 1 + 1-1 Possibility 3
+ 1 + 1-1-1 Possibility 4

相関、即ち受信器の符号と4通りの可能なパターンのそれぞれとのドット積は、相関器が4通りの可能性に対するドット積0,−4,0,+4をそれぞれ計算するものであることを示している。しかしながら、正しいワード同期(即ち、可能性4)だけが、大きな正の(即ち、+4)の相関を有する。受信器の仮定されたクロックを、到来する信号に対してビット単位でスライドさせながら、相関をとることによって、受信器はワード同期を見出すことができる。それ故に、「スライディング相関」の名が生れる。ここでまた留意されるべき点は、ワード同期もビット同期も共に正しいときに、最大相関が起こるということである。   Correlation, that is, the dot product of the sign of the receiver and each of the four possible patterns, indicates that the correlator calculates the dot products 0, -4, 0, +4 for the four possibilities Show. However, only correct word synchronization (ie possibility 4) has a large positive (ie +4) correlation. By taking the correlation of the assumed clock of the receiver by sliding it bit by bit with respect to the incoming signal, the receiver can find word synchronization. Therefore, the name “sliding correlation” is born. It should also be noted here that maximum correlation occurs when both word synchronization and bit synchronization are correct.

前述した同期方法を達成するために、送信側のカスケード中における最低周波数ステージの残差W’は、code3がその値を定義するように(あるいは、少なくとも残差W’の符合がcode3に後続するように)構成される。先の論議は、受信器の同期が、多くの手法のいくつかで、達成されることを説明している。あるシステム応用、例えば暗号化では、受信器からのタイミングは、他のビルディングブロック、例えば解読装置をも駆動することができる。全二重動作では、受信器のクロックはまた、システムに唯一のマスタークロックが存在するように、その端部からの送信にも使用できる。   In order to achieve the synchronization method described above, the residual W ′ of the lowest frequency stage in the transmitting cascade is such that code3 defines its value (or at least the sign of the residual W ′ follows code3). As configured). The previous discussion explains that receiver synchronization can be achieved in some of many ways. In certain system applications, such as encryption, timing from the receiver can also drive other building blocks, such as decryption devices. In full-duplex operation, the receiver clock can also be used for transmission from that end so that there is only one master clock in the system.

コード化モデム110でビット同期もワード同期も成立しているものと仮定すると、到来するデータビットは、+1または−1のいずれか対応するものとして表現される。そのデータビットが、符号の1つ、例えばcode2に掛けられる場合、その結果生じる4ビットのシーケンスは、code2か、各ビットの符合を反転したcode2のいずれかとなる。そのシーケンスが、カスケードまたはツリーシンセサイザーのW’入力の1つに、ビットのシーケンスとして適用される場合、受信器のアナライザーは、そのW’を回復し、code2と相関をとることになる。これは、受信器の出力を+1か−1と決定することになる大きな正の数か大きな負の数を得るためである。ここでは、説明を簡単にするために、単一ビットを使用した例が説明されている。実際のシステムでは勿論、そのような動作は典型的には、複数のビットを有するデジタルワードについて行われる。 Assuming that both bit synchronization and word synchronization are established in the coded modem 110, an incoming data bit is represented as corresponding to either +1 or -1. If the data bit is multiplied by one of the codes, eg, code2, the resulting 4-bit sequence is either code2 or code2 with the sign of each bit inverted. If the sequence is applied as a sequence of bits to one of the cascade or tree synthesizer W ′ inputs, the receiver analyzer will recover that W ′ and correlate with code2. This is to obtain a large positive or large negative number that will determine the output of the receiver as +1 or -1. Here, for simplicity of explanation, an example using a single bit is described. Of course, in an actual system, such operations are typically performed on digital words having multiple bits.

符号化されたデータビットをカスケードシンセサイザーのW’入力に適用すると、そのカスケード中の各ステージが異なるサンプリングレートで動作するので、幾分複雑になる。そのような動作は、ツリーシンセサイザーではもっと簡単に達成できる。これは、入力データがワードに組み立てられ、そしてシンセサイザーの最低ステージの周波数で一度に適用されるためである。ツリーシンセサイザーにとって、送信器の電力もまた、リンクの帯域幅全体に均等に分布される。これは、好ましい効率的なケースである。送信器のエネルギをリンクの帯域幅全体に拡散することは、リンクの最大限での動作を達成するための処方である。   The application of encoded data bits to the cascade synthesizer's W 'input is somewhat complicated because each stage in the cascade operates at a different sampling rate. Such an operation can be achieved more easily with a tree synthesizer. This is because the input data is assembled into words and applied at once at the lowest stage frequency of the synthesizer. For tree synthesizers, transmitter power is also distributed evenly across the link bandwidth. This is the preferred efficient case. Spreading transmitter energy across the link bandwidth is a recipe for achieving maximum link operation.

図6で説明されたタイプのいくつかのコード化モデムは、総リンク電力が拘束されながら、同じリンク上で同時に動作できる。各モデムは、異なる直交符号を使用すべきである。例えば、code3のモデムがcode2のモデムと干渉しないようにする。ここで留意されるべき点は、上述した4ビットのウォルシュ符号を使用するリンクを共有するモデムの数は、4よりも大きいということである。これは、あるグループのモデムが厳密に同時には動作しない場合には、各モデムが、その独立した残差入力のそれぞれに、異なる独特な符号の組み合わせを有するためである。ここでまた留意されるべき点は、これらの複数のモデムは、直交符号化された異なるデータビットを単に与えられているということである。 Several coded modems of the type described in FIG. 6 can operate simultaneously on the same link while the total link power is constrained. Each modem should use a different orthogonal code. For example, the modem of code3 is prevented from interfering with the modem of code2. It should be noted here that the number of modems sharing a link using the 4-bit Walsh code described above is greater than four. This is because if a group of modems do not operate exactly at the same time, each modem has a different and unique code combination for each of its independent residual inputs. It should also be noted here that these modems are simply given different data bits that are orthogonally encoded.

2線式全二重モデムは、1組のほぼ直交した符号を使用することによって与えられる。ウォルシュ符号は、上記のcode1〜code4として識別され、それらのビット位置の補数は、4ビットの16通りの可能な組み合わせの1/2だけである。以下に示すように、残りの組み合わせもまた、もう1組の相互に直交するベクターの組を形成する。これらのベクターは、以下でc5〜c8と番号付けされている。この4つのベクターからなる第2の組は、第1の組とは直交していない。それは、「ほぼ直交している」と記述することができる。何故ならば、第1の組set1のメンバーと第2の組set2のメンバーとのドット積は、常にベクターの長さの半分だからである。また、勿論、同じ組の1つのメンバーともう1つのメンバーとのドット積は、常に0だからである。但し、それ自身との積は、常にその長さに等しい。   A two-wire full-duplex modem is provided by using a set of nearly orthogonal codes. Walsh codes are identified as code1 to code4 above, and their bit position complements are only 1/2 of 16 possible combinations of 4 bits. As shown below, the remaining combinations also form another set of mutually orthogonal vectors. These vectors are numbered c5 to c8 below. The second set of four vectors is not orthogonal to the first set. It can be described as “substantially orthogonal”. This is because the dot product of the members of the first set set1 and the second set set2 is always half the length of the vector. Of course, the dot product of one member and another member of the same group is always zero. However, the product with itself is always equal to its length.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

マスターグループは直交し、スレーブグループもまた直交しているが、クロスグループ相関は、デュアル(二重)については−2、その他のクロスタームについては+2である。伝送リンクの一端は、マスターの符号の組を使用して信号を送信し、また伝送リンクの第2の端部は、スレーブの符号の組を使用して信号を送信する。ここで留意されるべき点は、シンセサイザー114とアナライザー120を与える行列変換法を使用することによって、同じ利益が実現されるということである。   The master group is orthogonal and the slave group is also orthogonal, but the cross group correlation is -2 for dual and +2 for other cross terms. One end of the transmission link transmits a signal using the master code set, and the second end of the transmission link transmits a signal using the slave code set. It should be noted that the same benefits are realized by using a matrix transformation method that provides synthesizer 114 and analyzer 120.

かくして、全二重動作を与えるために、リンク各端のモデムは、set1またはset2をマスターおよびスレーブとして使用するように割り当てることができる。マスターがcode1および2だけを使用し、スレーブがcode3および4だけを使用する場合、全てのエコー信号は、直交性によって総合的に相殺されるが、2組の符号に基づいた上述した配置を使用することによって、各モデムに対するデータは、可能なレートの半分になる。   Thus, to provide full-duplex operation, the modem at each end of the link can be assigned to use set1 or set2 as master and slave. If the master uses only code 1 and 2 and the slave uses only code 3 and 4, all echo signals are totally canceled by orthogonality, but use the above arrangement based on two sets of codes By doing so, the data for each modem is half the possible rate.

さらには、図6に関連して説明されたタイプのコード化モデムは、リンク上の他の信号と共存する。これは、相関器が信号をさほどあるいは全く与えないからである。符号シーケンスを長くすると、データ処理能力は低下するが、この効果を改善できる。ウォルシュ符号以外の或る符号は、この特性をマルチアクセス応用により良く活かすことが可能である。 Furthermore, a coded modem of the type described in connection with FIG. 6 coexists with other signals on the link. This is because the correlator provides little or no signal. When the code sequence is lengthened, the data processing capability is lowered, but this effect can be improved. Certain codes other than Walsh codes can make better use of this property for multi-access applications.

図7に示されるモデム126は、直接シーケンス符号分割多重方式を使用して、シンセサイザーカスケードのサブステージを励起することが可能である。上述したように、そのような手順は、スライディング相関に基づくクロック回復を可能にする。それはまた、(直接シーケンス拡散スペクトラム方式で行われるように)相関技術を使用して、符号シーケンスに掛けられるデータが受信器端で回復されることを可能にする。 The modem 126 shown in FIG. 7 can excite the sub-stages of the synthesizer cascade using a direct sequence code division multiplexing scheme. As described above, such a procedure allows clock recovery based on sliding correlation. It also allows data applied to the code sequence to be recovered at the receiver end using correlation techniques (as is done in direct sequence spread spectrum mode).

そのようなコード化モデムの1つの応用は、相関受信器の処理利得を利用して、大きな「妨害」信号に埋もれたモデムからの低電力信号を回復することである。妨害信号の実際の例には、音声(この場合、データは音声に隠れた「雑音」として送信される)と、テレビ(この場合、高品位デジタル情報は、互換性を保つために、標準ビデオと同じチャネルで送信される)と、符号分割多重と、2線式全二重FDXとが含まれる。開示された技術は、これらの方法に対する改良である。これは、モデムが、これまでよりも効率的に帯域幅を利用するからである。   One application of such a coded modem is to take advantage of the processing gain of the correlation receiver to recover the low power signal from the modem buried in a large “jamming” signal. Actual examples of jamming signals include audio (in this case, data is transmitted as “noise” hidden in the audio) and television (in this case, high-definition digital information is standard video for compatibility). Are transmitted on the same channel), code division multiplexing, and 2-wire full-duplex FDX. The disclosed technique is an improvement over these methods. This is because modems use bandwidth more efficiently than ever.

さらには、ここでは変調器(シンセサイザー)および復調器(アナライザー)であるとして説明されているモデムは、ベースバンドの(またはADCの制限を除いて、ベースバンドより高い)RFまたは音波送信器変調器および受信器の形態をとることもある。そのような受信器は、デジタル高品位TV(HDTV)を受信する応用を有する。   Further, the modems described herein as being modulators (synthesizers) and demodulators (analyzers) are either baseband (or higher than baseband, except for ADC limitations) RF or sonic transmitter modulators. And may take the form of a receiver. Such receivers have applications for receiving digital high definition TV (HDTV).

図6に関連して先に説明され、且つ図7に関連して以下で説明されるタイプのコード化モデムは、ウォルシュ符号を使用して、W’およびV’入力に適用されるデータを予備符号化する。シンセサイザーは、それ自身がウォルシュ符号を使用するので、回転行列によって実施される場合には、これら2種類の符号化方式は独立している、と指摘されるべきである。例えば、データ入力の符号長は、シンセサイザー出力の数と同じである必要はない。出力の数は、シンセサイザーの回転演算子の長さに等しい。かくして、行列方法をコード化モデムに適用することによって、このコード化モデムは、本質において、2回コード化モデムになる。 A coded modem of the type described above in connection with FIG. 6 and described below in connection with FIG. 7 uses Walsh codes to reserve data applied to the W ′ and V ′ inputs. Encode. It should be pointed out that since the synthesizer itself uses Walsh codes, these two types of coding schemes are independent when implemented with a rotation matrix. For example, the code length of the data input need not be the same as the number of synthesizer outputs. The number of outputs is equal to the length of the synthesizer's rotation operator. Thus, by applying the matrix method to a coded modem, the coded modem is essentially a twice-coded modem.

図7を参照すると、コード化ツリーモデム126は、複数のコーダ回路128a〜128hを備えている。これらコーダ回路は、図1に関連して説明された原理に従って動作するツリー型シンセサイザー130の複数の入力ポート130a〜130hの対応するものに結合されている。このシンセサイザーの出力ポートは、リンク132を通して、図1に関連して説明された原理に従って動作するツリー型アナライザー134の入力ポートに結合されている。複数のデコーダ回路136a〜136hは、アナライザーの出力ポート134a〜134hに結合されて、そこへ供給される符号化された信号を復号する。 Referring to FIG. 7 , the coded tree modem 126 includes a plurality of coder circuits 128a to 128h. These coders circuit is coupled to a corresponding one of the plurality of input ports 130a~130h tree-synthesizer 130 to operate in accordance with the principles described in connection with FIG. Output port of the synthesizer, through the link 132 is coupled to an input port of a tree-type analyzer 134 that operate in accordance with the principles described in connection with FIG. A plurality of decoder circuits 136a-136h are coupled to the analyzer output ports 134a-134h to decode the encoded signals supplied thereto.

原理的に、コード化ツリーモデム126は次のように動作する。即ち、コーダ回路は、符号化動作を行って、データワードに直交符号Cを掛ける。デコーダは、ここではC^で示される相関動作を行う。ここで留意されるべき点は、線路130h上の最終V’入力シーケンスは、それがリンク312の通過帯域周波数の下側周波数限界に対応した周波数よりも低いと仮定される場合には、ゼロに設定されるということである。   In principle, the coded tree modem 126 operates as follows. That is, the coder circuit performs an encoding operation and multiplies the data word by the orthogonal code C. Here, the decoder performs a correlation operation indicated by C ^. It should be noted that the final V ′ input sequence on line 130h is zero if it is assumed that it is lower than the frequency corresponding to the lower frequency limit of the passband frequency of link 312. It is to be set.

図8を参照すると、圧縮された信号を送受信するためのシステム138は、送信部138aを備える。この送信部は、入力信号調整回路139を有する。この調整回路は、ここでは、入力フィルタ140と、ADC142とを含む。フィルタ140とADC142は、上述した技術に従って動作するように選択される。これは、デジタルワードの適切なストリームを、アナライザー144の第1の入力ポートに与えるためである。量子化器146がアナライザー144とシンセサイザー148との間に結合されている。動作時に、信号圧縮器の量子化器146は、残差W’(N)を、記述するに少ないビットで済む新たな数にマッピングする。これが圧縮動作である。 Referring to FIG. 8 , a system 138 for transmitting / receiving a compressed signal includes a transmission unit 138a. This transmission unit includes an input signal adjustment circuit 139. Here, the adjustment circuit includes an input filter 140 and an ADC 142. Filter 140 and ADC 142 are selected to operate according to the techniques described above. This is to provide an appropriate stream of digital words to the first input port of the analyzer 144. A quantizer 146 is coupled between the analyzer 144 and the synthesizer 148. In operation, the signal compressor quantizer 146 maps the residual W ′ (N) to a new number that requires fewer bits to describe. This is a compression operation.

出力信号調整回路149は、シンセサイザー148の出力ポートに結合されたDAC150を有する。このDAC150は、デジタルワードのストリームを受信して、そこへ供給されたビットストリームを表すアナログ出力信号を与える。適切に選択されたフィルタ特性を有するフィルタ152は、DAC150からのアナログ信号を伝送線路154の第1の端部に結合する。   The output signal conditioning circuit 149 has a DAC 150 coupled to the output port of the synthesizer 148. The DAC 150 receives a stream of digital words and provides an analog output signal that represents the bitstream supplied thereto. A filter 152 with appropriately selected filter characteristics couples the analog signal from the DAC 150 to the first end of the transmission line 154.

この伝送線路154の第2の端部は、システム138の受信部138bに結合されている。受信部bは、入力信号調整回路156を有する。この調整回路は、そこへ供給されたアナログ信号を適切にフィルタ処理して変換し、適切なストリームのデジタルワードをアナライザー158の第1の入力ポートに与える。逆量子化器160(即ち、再量子化器)がアナライザー158とシンセサイザー162との間に結合されている。   The second end of the transmission line 154 is coupled to the receiver 138 b of the system 138. The receiver b has an input signal adjustment circuit 156. This conditioning circuit appropriately filters and converts the analog signal supplied thereto and provides an appropriate stream of digital words to the first input port of the analyzer 158. Inverse quantizer 160 (ie, requantizer) is coupled between analyzer 158 and synthesizer 162.

動作時に、再量子化器160は、元のビット定義へと再マッピングする。圧縮動作は、勿論、信号の情報内容を低下させるので、失われた情報は回復されない。しかしながら、多くの応用では、失われた情報は冗長である。あるいは、量子化器によって捨てられた情報に含まれていた詳細のレベルは、人間の観察者が感じることのないものである。かくして、信号劣化は、さほどあるいは全く検出されない。   In operation, requantizer 160 remaps to the original bit definition. The compression operation, of course, reduces the information content of the signal so that lost information is not recovered. However, in many applications, the lost information is redundant. Alternatively, the level of detail contained in the information discarded by the quantizer is something that a human observer will not feel. Thus, little or no signal degradation is detected.

出力信号調整回路163は、再構築されたデジタルストリームのワードをシンセサイザー162から受信し、そこへ供給されたビットストリームを表すアナログ出力信号の適切にフィルタ処理されたものを、システム138の受信部138bの出力ポートに与える。   The output signal conditioning circuit 163 receives the reconstructed digital stream word from the synthesizer 162 and appropriately filters the analog output signal representing the bit stream supplied thereto into the receiver 138b of the system 138. To the output port.

会話圧縮過程では、帯域幅は、残差W’用のビットの数を制限することによって、一般に減縮される。   In the conversation compression process, the bandwidth is generally reduced by limiting the number of bits for the residual W '.

しかしながら、帯域幅を大きく減縮させる変形例は、先ず最低周波数帯に対応するカスケードチャネル上の信号Vをゼロに置き換えて、信号W’ だけを送信することによって達成される。次に、700Hz〜1400Hzの周波数域帯の1つの周波数帯に対応するカスケードチャネルに関連した信号W’ が消去されるか、粗く量子化される。更には、ホフマン符号化法またはコードブックベクター量子化法がW’ に使用される。 However, modification to increase Genchijimi bandwidth, first the signal V 5 on the cascade channel corresponding to the lowest frequency band is replaced to zero, it is achieved by transmitting only the signal W '5. Next, the signal W ′ 3 associated with the cascade channel corresponding to one frequency band of the frequency band from 700 Hz to 1400 Hz is erased or coarsely quantized. Furthermore, Huffman coding method or codebook vector quantization method is used in the W '2.

サンプルレートを調整することによって、700Hz〜1400Hzの周波数帯が分離される。人間の特に英語の音声は、この帯域にフォーマットを含まないので、700Hz〜1400Hzの周波数帯に対応したカスケードチャネルは、(残差W’ をゼロに設定することによって、)理解容易性に損失を与えることなく、消去される。同様に、下表に示すように、W’ およびW’ もゼロに設定される。 By adjusting the sample rate, the frequency band of 700 Hz to 1400 Hz is separated. Since human speech, especially English, does not include a format in this band, the cascade channel corresponding to the 700 Hz to 1400 Hz frequency band loses comprehension (by setting the residual W ′ 3 to zero). It will be erased without giving Similarly, as shown in the table below, W '1 and W' 5 is also set to zero.

Figure 0004255376
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かくして、この例では、W’ W’ およびVは、上表に示されたレートでサンプリングされる。また、例えば残差W’ およびW’ に対応した信号だけを送信することが可能になる。これらは、700および2800ボーのサンプルレートを有したもので、おそらくホフマン符号化後は各残差W’ W’ について2ビット以下となる。更なる減少もまた可能である。これは、W’ をもう1つのサンプリングされた信号として単純に考え、かくして帯域幅を更に減少させるために、マルチ分解能解析によって再分割することができるからである。 Thus, in this example, W ′ 1 -W ′ 5 and V 5 are sampled at the rates shown in the table above. Further, for example, only signals corresponding to the residuals W ′ 2 and W ′ 4 can be transmitted. These have sample rates of 700 and 2800 baud, possibly less than 2 bits for each residual W ′ 2 , W ′ 4 after Hoffman coding. Further reduction is also possible. This is because we can simply consider W ′ 2 as another sampled signal and thus subdivide by multi-resolution analysis to further reduce the bandwidth.

例として、700サンプル/秒について1.5ビットが使用され、また残差W’ がそれぞれ1.5ビットで1400サンプル/秒、700サンプル/秒、350サンプル/秒、175サンプル/秒、および65サンプル/秒に分解される場合、ビット/秒(bps)の合計数は、5085bpsに対応する。これに、フレーム同期用のオーバーヘッドビットが加えられる。この方法は、音声圧縮の分野の当業者には知られているように、線形予測符号化10(LPC10)や動的励起LPCおよびその改良のような方法に比べて、計算量がかなり少ない。 As an example, 1.5 bits are used for 700 samples / second, and the residual W ′ 2 is 1.5 bits, 1400 samples / second, 700 samples / second, 350 samples / second, 175 samples / second, and 1.5 bits, respectively. When broken down to 65 samples / second, the total number of bits / second (bps) corresponds to 5085 bps. To this, overhead bits for frame synchronization are added. This method is much less computationally intensive than methods such as linear predictive coding 10 (LPC 10), dynamic excitation LPC and improvements thereof, as known to those skilled in the art of speech compression.

ここには示されていないが、受信器は、Vに適用される受信信号並びにV’ から取り出される明瞭な出力と同じ形態を有するように与えられる。 Although not shown here, the receiver is given to have the same form as the received signal applied to V 0 as well as a clear output taken from V ′ 0 .

上記の観点から、当業者はここで、上述したシステムの組み合わせが、例えば、アナログリンク上で使用される暗号化されたデータの圧縮システムを形成するように作られていることを認識する。このことは、送信されるデジタルデータの量がリンクのシャノン法則限界を超える高品位TV信号の送受信のような応用に特に有用である。かくして、そのような応用では、サンプルレートがリンクのナイキストサンプリング定理限界に一致するまで、アルゴリズム手段によって、データは先ず圧縮され、次いでそのデータは、例えば図5〜7に関連して上述されたモデムシステムの1つに与えられる。 In view of the above, those skilled in the art will now recognize that a combination of the above-described systems is made to form, for example, an encrypted data compression system used on an analog link. This is particularly useful for applications such as transmission and reception of high-definition TV signals where the amount of digital data transmitted exceeds the link's Shannon law limit. Thus, in such an application, the data is first compressed by algorithm means until the sample rate matches the link's Nyquist sampling theorem limit, and then the data is then transmitted to the modem described above, for example with reference to FIGS. Given to one of the systems.

図9を参照すると、デジタル圧縮回路166は、アナライザー168を有し、これは量子化器170に結合される。デジタル信号は、アナライザー入力に供給される。アナライザー168は、その信号を分解し、量子化器170は、図8に関連して説明された圧縮動作を行う。量子化器170は次に、圧縮されたデジタル信号をデジタルリンク172の第1の端部に供給する。デジタルリンク172の第2の端部は、再量子化器174の入力ポートに結合されている。再量子化器174は、そこへ供給された信号を受信し、逆量子化過程を行い、再量子化された信号をシンセサイザー176へ供給する。デジタル方式では、W信号と乱数RNとの間の論理演算、例えば排他的論理和演算を行うだけでよい。 Referring to FIG. 9 , the digital compression circuit 166 includes an analyzer 168 that is coupled to the quantizer 170. The digital signal is supplied to the analyzer input. Analyzer 168 decomposes the signal and quantizer 170 performs the compression operation described in connection with FIG . The quantizer 170 then provides the compressed digital signal to the first end of the digital link 172. The second end of digital link 172 is coupled to the input port of requantizer 174. The requantizer 174 receives the signal supplied thereto, performs an inverse quantization process, and supplies the requantized signal to the synthesizer 176. In the digital method, it is only necessary to perform a logical operation between the W signal and the random number RN, for example, an exclusive OR operation.

図10を参照すると、電話モデム178は、400Hz〜3200Hzの周波数帯域で動作可能なシンセサイザー180を備える。このシンセサイザー180は、典型的には約6400サンプル/秒のサンプリングレートを有するDAC182に信号を供給する。このDACは、そこに供給されたビットストリームをアナログ信号に変換する。このアナログ信号は、アナログ伝送リンク184を通して、これもまた約6400サンプル/秒のサンプリングレートを有するADC186へ供給される。ADC186は、そこに供給されたアナログ信号をデジタルビットのストリームに変換する。このデジタルビットのストリームは、アナライザー188に供給される。 Referring to FIG. 10 , the telephone modem 178 includes a synthesizer 180 that can operate in a frequency band of 400 Hz to 3200 Hz. The synthesizer 180 provides a signal to a DAC 182 that typically has a sampling rate of about 6400 samples / second. This DAC converts the bit stream supplied thereto into an analog signal. This analog signal is fed through an analog transmission link 184 to an ADC 186 which also has a sampling rate of about 6400 samples / second. The ADC 186 converts the analog signal supplied thereto into a stream of digital bits. This stream of digital bits is supplied to the analyzer 188.

シンセサイザー180は、図1に関連して上述された行列変換法に従って与えられる。しかしながら、ここで留意されるべき点は、シンセサイザー180は、図1に関連して上述された等式Equation3および4に従う3レベルのツリーシンセサイザーとしても与えられるということである。 The synthesizer 180 is provided according to the matrix transformation method described above in connection with FIG . However, it should be noted here, synthesizer 180 is that even given a 3-level tree synthesizer according to Equation Equation3 and 4 described above in connection with FIG.

行列法では、シンセサイザー180は、そこへ供給されたデータフレームについて、回転行列で演算する。ここでは、8次元の回転行列がデータフレームに適用される。同様に、アナライザー188は、シンセサイザー180によって使用された行列の逆行列に対応した8次元の行列を適用することによって、逆回転演算を行う。   In the matrix method, the synthesizer 180 calculates a data frame supplied thereto using a rotation matrix. Here, an 8-dimensional rotation matrix is applied to the data frame. Similarly, the analyzer 188 performs a reverse rotation operation by applying an 8-dimensional matrix corresponding to the inverse of the matrix used by the synthesizer 180.

上述したように、DAC182およびADC186の基本サンプリングレートは、6400サンプル/秒である。デジタル入力および出力は、1/8のフレームレートまたは800フレーム/秒で動作する。各フレームは、例えば各5ビット(またはそれより大きい)の7ワードに分割された35ビットからなり、そしてチャネル180a〜180hに適用される。処理能力は、28,000bps(35ビット×800フレーム/秒)である。使用可能なレートは、リンク184上のS/N比と、順方向誤り訂正(FEC)とによって決定される。かくして、モデム178は、28kbps以下のデータ転送速度(レート)で動作する。   As described above, the basic sampling rate of the DAC 182 and ADC 186 is 6400 samples / second. Digital inputs and outputs operate at 1/8 frame rate or 800 frames / second. Each frame consists of, for example, 35 bits divided into 7 words of 5 bits each (or larger) and is applied to channels 180a-180h. The processing capacity is 28,000 bps (35 bits × 800 frames / second). The usable rate is determined by the signal-to-noise ratio on link 184 and forward error correction (FEC). Thus, the modem 178 operates at a data transfer rate (rate) of 28 kbps or less.

さらに、モデム178はFECを使用する。また、一般的な実践のように、300Hz〜400Hzの周波数帯が、周波数シフトキーイング(FSK)診断信号方式に使用される。   In addition, modem 178 uses FEC. Also, as a general practice, the 300 Hz to 400 Hz frequency band is used for frequency shift keying (FSK) diagnostic signaling.

チャネル180hは、400hz以下の信号方式に対応し、この例のデータ用には使用できない。しかしながら、一定振幅および交番符合を有する信号がチャネル180hに印加される場合、400hzのトーンは、同期を助けるために、受信器(図示せず)によって、線路信号からフィルタで取り出される。加えて、既知の予め選択された振幅は、チャネル188hからデータとして回復され、そして利得校正信号として受信器で使用され、さらにはFECブロック符号化方式用のブロック境界を規定することに使用されることがある。   Channel 180h corresponds to a signal system of 400hz or less and cannot be used for the data in this example. However, if a signal with constant amplitude and alternating sign is applied to channel 180h, the 400hz tone is filtered out of the line signal by a receiver (not shown) to aid in synchronization. In addition, the known preselected amplitude is recovered as data from channel 188h and used as a gain calibration signal at the receiver, and further used to define block boundaries for the FEC block coding scheme. Sometimes.

正確なタイミング同期と利得校正は、モデム178の動作にとって重要である。図6及び7に関連して上述したように、コード化モデムは、送信信号中に現れるトーン無しで、同期情報を得ることができる。かくして、コード化モデムを暗号化することによる秘密通信は、同時に存在する非秘密通信と同じ狭帯域幅内を、低レベルの外観上非相関的な雑音として送信される。 Accurate timing synchronization and gain calibration are important to the operation of modem 178. As described above in connection with FIGS. 6 and 7, the coded modem can obtain synchronization information without the tones that appear in the transmitted signal. Thus, the secret communication by encrypting the coded modem is transmitted as low level appearance non-correlated noise within the same narrow bandwidth as the coexisting non-secret communication.

チャネル180a〜180gのデータは、モデムでは一般的な実践であるように、スクランブルされる。この結果、出力は、普通の偶発的な35個の0または1の入力ストリングを送信するときに、より雑音的になる。スクランブルしないと、0のストリングは、変調されてはいるが強い相関を持つ、DC成分のない出力を生成する。   The data on channels 180a-180g is scrambled as is common practice in modems. As a result, the output becomes more noisy when transmitting ordinary accidental 35 0 or 1 input strings. Without scrambling, a string of zeros produces an output that is modulated but strongly correlated and has no DC component.

アナライザー188によって受信されたデータは、実際のデータの倍数である。その倍率は、回転行列の次元に対応し、この回転行列の次元は、シンセサイザー180内のチャネルの数に対応する。受信器は、受信したチャネル出力を最も近い倍数に量子化、即ち丸め処理し、さらにその倍数による除算を行って、リンク184上の雑音の影響を低減すべきである。   The data received by analyzer 188 is a multiple of the actual data. The magnification corresponds to the dimension of the rotation matrix, which corresponds to the number of channels in the synthesizer 180. The receiver should quantize or round the received channel output to the nearest multiple, and further divide by that multiple to reduce the effects of noise on link 184.

キャリア信号が存在しないベースバンド変調技術を使用するモデムは、行列回転法を使用することによって、または上記の図1〜1Dに関連して与えられた等式によって、与えられる。これらの手法の何れかにおいて、モデムは、2以上のサンプルのグループを復調および処理して、データを回復しなければならない。従来のベースバンドシステムでは、データを回復するために、単一のサンプルが処理される。 Modems that use baseband modulation techniques in the absence of a carrier signal are given by using the matrix rotation method or by the equations given in connection with FIGS . In either of these approaches, the modem must demodulate and process groups of two or more samples to recover the data. In conventional baseband systems, a single sample is processed to recover the data.

かくして、ベースバンドシステムでは、上述した行列法に従って動作するモデムは、サンプルのグループを変調および復調する。例えば、行列ベクター長さが8である場合、復調器によって8つのサンプルが1つの独立したグループとして一緒に処理される。即ち、復調器は、サンプルのグループに対し、変調器で使用された逆行列を乗じる。ここで留意されるべき点は、サンプルのグループ化は、変調の一部であって、例えば誤り訂正用のブロックデータ符号化法とは明瞭に区別され、そして両技術は、単一のモデムで同時に使用できる、ということである。   Thus, in a baseband system, a modem operating according to the matrix method described above modulates and demodulates a group of samples. For example, if the matrix vector length is 8, the demodulator processes the 8 samples together as one independent group. That is, the demodulator multiplies the group of samples by the inverse matrix used in the modulator. It should be noted here that the grouping of samples is part of the modulation and is clearly distinguished from, for example, block data coding methods for error correction, and both techniques can be used with a single modem. It can be used at the same time.

要するに、ベースバンドモデム技術は、反転可能なマッピングを使用する。これまでの開示、並びに発行された親特許であるUS特許第5,367,516号によれば、変調および復調マッピングは、フィルタバンク型のシンセサイザーおよびアナライザー、または回転および逆回転行列、またはベースバンドの数学的変換およびその逆変換として特徴付けられる。これらの特徴は、明瞭に異なる、いくつかの例では、同じ動作を異なる技術で記述する。3つの特徴の術語と統一は、本願出願に関連して引用された刊行物に見られる。例えば、図1のアナライザーとシンセサイザーは、バイディアナサン(Vaidyanathan)とフォン(Hoang) によって記述されている2チャネル直交ミラーフィルタ(QMF)対である。行列は、ビタリ(Viterli)とガル(Gall)の交換可能な多位相フィルタ行列、またはバイディアナサンと彼の学生の同様なものである。逆多位相行列は、図1のQMF、並びに多くのサブバンクを有したフィルタバンク、例えば図1Cおよび1Dの構造と機能的に等価なフィルタバンクを記述している。最後に、2チャネルQMFに基づいた図1Aの構造は、リウル(Rioul)とビターリ(Vitterli)によって記述されているように、離散的ウエーブレット変換(DWT)と数学的に等価である。スケール関数と残差関数は、ウエーブレット変換を記述することに使用されるターム(項)である。 In short, baseband modem technology uses a reversible mapping. According to previous disclosures and the issued parent patent US Pat. No. 5,367,516, modulation and demodulation mapping can be implemented in filter bank synthesizers and analyzers, or rotation and derotation matrices, or baseband. Characterized as the mathematical transformation of and the inverse of it. These characteristics clearly different, but in some instances, describing the same operation on different technologies. The terminology and unity of the three features can be found in the publications cited in connection with the present application. For example, the analyzer and synthesizer of FIG. 1 is a two-channel quadrature mirror filter (QMF) pair described by Vaidyanathan and Hoang. The matrix is the interchangeable polyphase filter matrix of Viterli and Gall, or similar to Bydiana Sun and his students. The inverse polyphase matrix describes the QMF of FIG. 1 and a filter bank with many subbanks, such as a filter bank that is functionally equivalent to the structures of FIGS. 1C and 1D. Finally, the structure of FIG. 1A based on 2-channel QMF is mathematically equivalent to the discrete wavelet transform (DWT), as described by Rioul and Vitterli. The scale function and the residual function are terms (terms) used to describe the wavelet transform.

モデム用の反転可能なマッピングは、幾何学的な回転と同様である。この場合、そのマッピングは、フィルタに起因する純粋な遅延を有していることも、有していないこともある。サンプルX(0)〜X(3)のシーケンスは、4次元空間におけるベクターXの座標と考えられる。線形変換は、同じ4次元空間内において、Xの座標系から他の1つの座標系になされる。かくして、ベクターXは、「回転」行列によって、またはフィルタバンクによって、あるいはDWTのような数学的変換によって、ベクターYに変換される。   Invertable mapping for modems is similar to geometric rotation. In this case, the mapping may or may not have a pure delay due to the filter. The sequence of samples X (0) to X (3) is considered as the coordinates of the vector X in the four-dimensional space. The linear transformation is performed from the X coordinate system to another one coordinate system in the same four-dimensional space. Thus, vector X is converted to vector Y by a “rotation” matrix, by a filter bank, or by a mathematical transformation such as DWT.

ベクターXの成分は、送信器のD/A変換器への連続したサンプルのフレームと等しくされる。Yの成分は、送信帯域幅内のサブバンドに対応したフィルタバンクへの入力に割り当てられる。先の開示および発行された親特許である米国特許第5,367,516号に基づいたモデムでは、XおよびYは、同じベクターの2つの異なる座標表現である。モデムの変調器は、線形「回転」演算子[M]として、また復調器は、演算子[D]として考えることができる。送信器では、X=[M]Yとなる。ベクターYは、モデムが正しくデータを運んだ場合には、受信データ[D]X=Yとなるように、送信される。これは、必要条件[D][M]=z[I]と一致する条件である。ここで、[I]は識別行列であり、またzは、システムを通しての純粋な周波数非依存性遅延があれば、それを表す。受信器に付加的な雑音があれば、線形復調演算子は、全てのモデムで共通であるように、その雑音タームを非線形しきい値演算によって除去しなければならない。   The component of vector X is made equal to a frame of consecutive samples to the transmitter D / A converter. The Y component is assigned to the input to the filter bank corresponding to the subband within the transmission bandwidth. In modems based on the previous disclosure and issued parent patent US Pat. No. 5,367,516, X and Y are two different coordinate representations of the same vector. A modem modulator can be thought of as a linear “rotation” operator [M], and a demodulator as an operator [D]. At the transmitter, X = [M] Y. The vector Y is transmitted so that the received data [D] X = Y when the modem correctly carries the data. This is a condition that matches the necessary condition [D] [M] = z [I]. Here, [I] is an identification matrix, and z represents any pure frequency-independent delay through the system. If there is additional noise at the receiver, the linear demodulation operator must remove that noise term by non-linear thresholding so that it is common to all modems.

線形および非線形双方の演算子を含む一般的な常識では、全てのモデムは、データを正しく回復するために、[D][M]=z[I]であることを必要とする。しかしながら、前述のベースバンドモデムでは、また発行された親特許である米国特許第5,367,516号では、結果的に幾何学的回転類比が生じる。これは、線形演算子が交換可能なためである。即ち、[D][M]=[M][D]であるか、少なくともそれらはチャネルの有用な帯域幅全体にわたって、ほとんど交換可能である。2次元の幾何学的回転は交換可能であり、また如何なる次元の回転でも、反転された一連の逆回転と交換可能な一連の2次元回転を作ることによって、交換可能にすることができる。これは、引用文献の多次元(マルチバンド)QMFバンクに対するバイディアナサン等の設計手順の本質である。   In common sense, including both linear and non-linear operators, all modems need [D] [M] = z [I] to recover the data correctly. However, the aforementioned baseband modem and the issued parent patent US Pat. No. 5,367,516 result in a geometric rotation analogy. This is because linear operators are interchangeable. That is, [D] [M] = [M] [D], or at least they are almost interchangeable over the useful bandwidth of the channel. Two-dimensional geometric rotations are interchangeable, and any dimensional rotation can be made interchangeable by creating a series of two-dimensional rotations that can be interchanged with a series of inverted reverse rotations. This is the essence of the design procedure such as Bydiana Sun for the multi-dimensional (multiband) QMF bank of the cited document.

上述したように、また発行された親特許である米国特許第5,367,516号で述べているように、サンプリングされたアナログ信号は、ベクターAとしてフレーム化でき、また帯域幅拡張もデジタル圧縮もなしに、デジタル的に暗号化できる。これは、送信側の暗号化装置がX=[M][e][D]Aを送信し、また受信側の解読装置がA=[M][d][D]Xを計算できるからである。この場合、デジタル暗号化[e]と解読[d]は、[d][e]=[I]を満足し、また[M]と[D]は交換可能であると仮定する。   As mentioned above and as described in the issued parent patent US Pat. No. 5,367,516, the sampled analog signal can be framed as vector A, and the bandwidth extension is also digitally compressed. It can be digitally encrypted without any need. This is because the encryption device on the transmission side transmits X = [M] [e] [D] A, and the decryption device on the reception side can calculate A = [M] [d] [D] X. is there. In this case, it is assumed that digital encryption [e] and decryption [d] satisfy [d] [e] = [I], and [M] and [D] are interchangeable.

パスバンドモデムは、1以上のキャリアを、データを表す1以上の分離されたベースバンドモデム波形で変調する。キャリアの変調と後続する復調は、現代のモデムの一般的な線形動作である。かくして、あるキャリア周波数において、モデムは、正弦および余弦キャリアを加算する。この場合、各キャリアは、ベースバンドデータ変調器やフィルタによって、線形振幅変調されている。結果として得られた信号は、直交振幅変調(QAM)モデムでのように、位相および/または振幅双方の変化を有する。前述した開示のベースバンド変調は、パスバンド用の線形モデムを形成することに、この同じ手法で適用できる。   A passband modem modulates one or more carriers with one or more separate baseband modem waveforms representing data. Carrier modulation and subsequent demodulation is a common linear operation of modern modems. Thus, at a certain carrier frequency, the modem adds sine and cosine carriers. In this case, each carrier is subjected to linear amplitude modulation by a baseband data modulator and a filter. The resulting signal has both a phase and / or amplitude change, as in a quadrature amplitude modulation (QAM) modem. The previously disclosed baseband modulation can be applied in this same manner to form a linear modem for the passband.

データモデムおよびアナログ信号暗号化装置にとって、パスバンドへの非線形変調もまた可能である。非線形モデムは、非常に非効率的な周波数シフトキーイング(FSK)モデム以外にはめったに使用されていない。しかしながら、ここで説明されている方法を使用した非線形モデムは、例えば無線通信用の関心ある領域で動作したときに、QAMのような他の線形変調よりも帯域幅効率がよい。この場合、比較のために、非線形設計にも線形設計にも順方向誤り訂正(FEC)がないことを仮定している。例示的な非線形FMモデムがここでは説明される。   Non-linear modulation to the passband is also possible for data modems and analog signal encryption devices. Non-linear modems are rarely used other than very inefficient frequency shift keying (FSK) modems. However, non-linear modems using the methods described herein are more bandwidth efficient than other linear modulations such as QAM when operating in an area of interest, eg, for wireless communications. In this case, for comparison, it is assumed that there is no forward error correction (FEC) in either the nonlinear design or the linear design. An exemplary non-linear FM modem is described herein.

FMのDSB信号は、直交キャリア法によって生成可能である。この方法では、正弦および余弦キャリアが、ベースバンドモデム信号の積分の正弦および余弦によって、それぞれ振幅変調される。かくして、余弦関数の振幅は、余弦キャリア等を変調する。この場合、FM信号は、実際の非線形変調であって、線形パスバンド変調とは明瞭に区別される。これは、ベースバンド積分器を含むことも、含まないこともある。FMと非線形位相変調(PM)は、電圧制御発振器(VCO)によって、また他の技術によって、生成することができる。上述したように、また発行された親特許である米国特許第5,367,516号で説明されたように、データと、変調された信号は、同じベクターを表す異なる座標であり得る。この観点は、フィルタバンクやウエーブレットによる回転を使用した非線形モデムの設計に対して洞察と特異な技術を与える。   The FM DSB signal can be generated by the orthogonal carrier method. In this method, the sine and cosine carriers are amplitude modulated by the integral sine and cosine of the baseband modem signal, respectively. Thus, the amplitude of the cosine function modulates the cosine carrier and the like. In this case, the FM signal is an actual nonlinear modulation and is clearly distinguished from the linear passband modulation. This may or may not include a baseband integrator. FM and nonlinear phase modulation (PM) can be generated by a voltage controlled oscillator (VCO) and by other techniques. As described above and as described in the issued parent patent, US Pat. No. 5,367,516, the data and the modulated signal can be in different coordinates representing the same vector. This perspective provides insights and anomalous techniques for the design of non-linear modems using filter bank and wavelet rotation.

図11において、本発明に係るFMモデム200は、ブロック図の形態で示されている。このモデムは、送信部202と、受信部204とを備える。送信部202への入力データは先ず、分割要素206によってデータベクター表現に分割される。分割された信号全般に対して、非線形プリエンファシス増幅207によって等価な平均電力を与えた後に、データベクターは、前述したように送信部演算子208によって回転させられて、信号ベクターになる。非線形圧縮209によって変調利得を改善した後に(以下で説明される)、信号ベクターは、ブロック210で示されるようにFM変調され、そして送信器インターフェース212によって、出力信号として送信器(図示せず)に与えられる。 In FIG. 11 , an FM modem 200 according to the present invention is shown in the form of a block diagram. This modem includes a transmission unit 202 and a reception unit 204. Input data to the transmission unit 202 is first divided into data vector expressions by a division element 206. After giving an equivalent average power to the divided signals in general by the nonlinear pre-emphasis amplification 207, the data vector is rotated by the transmitter operator 208 as described above to become a signal vector. After improving the modulation gain by non-linear compression 209 (described below), the signal vector is FM modulated as indicated by block 210 and transmitted by transmitter interface 212 as an output signal to a transmitter (not shown). Given to.

典型的に、1つのモデム200の送信部202からの出力信号は、同じモデム200の受信部204によって受信されることはない。しかしながら、出力信号がそこを通して送信され、また入力信号がそこから受信されるところの、伝送経路が、送信信号を記憶するためのメモリデバイスを含むことは可能である。そのような場合、同じモデムが送信および受信の両機能を遂行することは可能である。   Typically, an output signal from the transmission unit 202 of one modem 200 is not received by the reception unit 204 of the same modem 200. However, it is possible that the transmission path from which the output signal is transmitted and from which the input signal is received includes a memory device for storing the transmitted signal. In such cases, it is possible for the same modem to perform both transmit and receive functions.

例えば、本発明の変形実施形態では、メモリデバイスは、磁気ディスクか不揮発性固体メモリデバイスであって、アナログ形態で記憶される変調されたデジタル情報は、後に同じモデムによって検索、復調される。このメモリデバイスは、例外的に長いリンク遅延を有したモデム伝送リンクとして振る舞う。この結果、メモリへの、またはメモリからのビットエラーレート計算値および最大システム転送速度は、如何なるモデムシステムに対しても決定できる。特に、データの回復に対する最大エラー無しビットレートは、シャノンの法則によって与えられる。ここでは、信号対雑音比は、デバイスの物理的特性や、電子装置の雑音指数に依存する。   For example, in a variant embodiment of the invention, the memory device is a magnetic disk or a non-volatile solid-state memory device, and the modulated digital information stored in analog form is later retrieved and demodulated by the same modem. This memory device behaves as a modem transmission link with exceptionally long link delay. As a result, the bit error rate calculation and maximum system transfer rate to or from memory can be determined for any modem system. In particular, the maximum error-free bit rate for data recovery is given by Shannon's law. Here, the signal-to-noise ratio depends on the physical characteristics of the device and the noise figure of the electronic device.

モデム200の受信部204側では、FM受信器(図示せず)からの入力信号は、受信器インターフェース214において受信され、そしてFM復調器216に送られる。復調された信号は、非線形逆圧縮減衰217の後に、受信回転演算218によって逆回転させられる。相補的デエンファシス増幅219の後に、その結果は、理想的には元の入力データと同じである出力データへとアセンブリ要素220によってアセンブルされる。非線形逆圧縮減衰217は、変形実施形態では、さらに等化器を備える。 On the receiving unit 204 side of the modem 200, an input signal from an FM receiver (not shown) is received by the receiver interface 214 and sent to the FM demodulator 216. Demodulated signal, after the non-linear inverse compressor attenuator 217 is rotated in reverse by receiving the rotation calculator 218. After complementary deemphasis amplifier 219, the result is ideally assembled by Assembly element 220 to the output data is the same as the original input data. Nonlinear decompressor attenuator 217, in alternative embodiments, further comprising an equalizer.

上述し、また発行された親特許である米国特許第5,367,516号で論議された畳み込み回転を使用するモデムは、潜在的な帯域幅効率という点で最適である。この技術を使用する暗号化は、信号暗号化装置が、如何なる帯域制限された信号でもデジタルドメインに変換し、それをデジタル的に暗号化し、さらにその信号を、アナログ帯域幅を変化させることなく、アナログドメインに変換し戻すことができる、という点で最適である。これは、デジタル音声圧縮アルゴリズムに依存して、帯域幅拡張なしに暗号化を達成する現在のデジタル音声暗号化装置とは対照的である。これら最適な特性の双方は、上述し、また発行された親特許である米国特許第5,367,516号に開示されたモデムに使用された反転可能ベースバンド変換の結果である。この反転可能ベースバンド変換の好ましい1つの実施形態は、ウエーブレットフィルタとしても知られる直交ミラーフィルタ(QMF)バンクである。これは、フィルタの通過帯域の全てにわたって無損失の信号再構築を可能にする。バンドエッジにおけるストップバンドへの遷移領域は、フィルタ遅延が増加するにつれて消滅するように設計できるので、変調器は、数学的限界においてエントロピー損失を無くすためのシャノンの基準を満足する。   A modem using convolutional rotation, discussed above and discussed in the issued parent patent, US Pat. No. 5,367,516, is optimal in terms of potential bandwidth efficiency. Encryption using this technique means that the signal encryption device converts any band-limited signal into the digital domain, digitally encrypts it, and further changes the signal without changing the analog bandwidth. It is optimal in that it can be converted back to the analog domain. This is in contrast to current digital audio encryption devices that rely on digital audio compression algorithms to achieve encryption without bandwidth expansion. Both of these optimal characteristics are the result of the invertible baseband conversion used in the modem described above and in the issued parent patent, US Pat. No. 5,367,516. One preferred embodiment of this invertible baseband transform is a quadrature mirror filter (QMF) bank, also known as a wavelet filter. This allows lossless signal reconstruction across the entire passband of the filter. Since the transition region to the stop band at the band edge can be designed to disappear as the filter delay increases, the modulator satisfies Shannon's criteria for eliminating entropy loss at mathematical limits.

第1の実施形態の回転演算子は、マルチレートのウエーブレット型フィルターバンクである。そのようなフィルタは、サブバンド符号化方式と同様な手法で設計されている。各アナライザー入力は、M個の重複するサブバンドの1つに対応する。信号スペクトラムのバンド外領域に対応するポートは、データ用には使用されていないが、それらは別の実施形態において、スペクトラム制約を乱すことなしに、ベースバンド同期ビットを搬送することに使用される。サブバンドの数と関係なく、多位相回転行列は、帯域全体にわたって確実に交換可能である。独立して選択されたフィルタ長によって決定されるように、非常に小さなエントロピー損失が、(バンド間ではなく)バンドエッジにある。   The rotation operator of the first embodiment is a multi-rate wavelet type filter bank. Such a filter is designed in the same manner as the subband coding scheme. Each analyzer input corresponds to one of the M overlapping subbands. Ports corresponding to the out-of-band region of the signal spectrum are not used for data, but they are used in another embodiment to carry baseband synchronization bits without disturbing the spectrum constraints. . Regardless of the number of subbands, the multiphase rotation matrix is reliably interchangeable across the entire band. There is very little entropy loss at the band edges (not between bands) as determined by the independently chosen filter length.

M個のサンプルに対応する時間フレームについて、入力二値情報は、情報ベクターの整数座標に分割される。復調演算子の出力は、非線形座標を有したベクターとしてみられる。「しきい値処理」は、受信したベクター座標を整数へ丸め処理することによって雑音を除去する非線形演算である。   For a time frame corresponding to M samples, the input binary information is divided into integer coordinates of the information vector. The output of the demodulation operator is seen as a vector with non-linear coordinates. “Threshold processing” is a non-linear operation that removes noise by rounding received vector coordinates to an integer.

データを符号化して、均等に離された符合付きの奇数値にすることは、データを送信するときの通常のモデム実践である。例えば、2ビットは、4つのレベル−3,−1,+1,+3の1つとして符号化される。この場合、しきい値処理は、最近接の奇数値に丸め処理する。モデムはまた、如何なる帯域制限されたアナログ信号を送信することにも使用できる。このアナログ信号は、例えば、限定されるものではないが、上述し、また発行された親特許である米国特許第5,367,516号に開示されたデジタル暗号化のデジタル処理工程を含むサブレートのフィルタ処理によってデジタル的に処理されている。モデムがこの手法で使用されるときは、モデム変調器の入力サンプルは、ゼロを含んだ偶数値および奇数値を跨ぐ符合付き整数と考えることができる。受信器のしきい値処理は、これらの値を丸め処理する。表記法と一致させるために、整数は変調器への入力であると仮定され、変調器は整数をD/A変換器に送り、受信器はA/Dから整数を受ける。復調器は、整数を出力する。この整数は、回転行列の正規化定数で除した後の商を整数または奇整数に適切に丸め処理することによってしきい値処理されたものである。上述し、また発行された親特許である米国特許第5,367,516号に記載されているように、この回転利得は、回転演算子(フィルタバンクの多位相行列)から計算される。   It is normal modem practice when transmitting data to encode the data into evenly spaced signed odd values. For example, 2 bits are encoded as one of four levels -3, -1, +1, +3. In this case, the threshold processing rounds to the nearest odd number. The modem can also be used to transmit any band limited analog signal. This analog signal may be, for example, but not limited to, a sub-rate including the digital processing steps of digital encryption disclosed above and disclosed in the issued parent patent US Pat. No. 5,367,516. Digitally processed by filtering. When a modem is used in this manner, the modem modulator input samples can be thought of as signed integers that span even and odd values including zero. Receiver thresholding rounds these values. To match the notation, the integer is assumed to be the input to the modulator, the modulator sends the integer to the D / A converter, and the receiver receives the integer from the A / D. The demodulator outputs an integer. This integer is thresholded by appropriately rounding the quotient after dividing by the normalization constant of the rotation matrix to an integer or odd integer. As described above and in the issued parent patent, US Pat. No. 5,367,516, this rotational gain is calculated from the rotation operator (the multiphase matrix of the filter bank).

同期情報を含んだ送信データは、M次元ベクターによって表される。一実施形態では、データ表現において搬送ベクターに秘密ベクターをモジュロ加算すると、高信頼性のデジタル的に暗号化されたアナログ信号がD/Aから得られる。解読は、秘密ベクターをモジュロ減算して、搬送ベクターを回復する。   Transmission data including the synchronization information is represented by an M-dimensional vector. In one embodiment, modulo addition of the secret vector to the carrier vector in the data representation provides a highly reliable digitally encrypted analog signal from the D / A. The decryption modulo subtracts the secret vector to recover the transport vector.

入力情報ビットは、ベクターのデータ表現座標に割り当てられ、そして各座標に独特な疑似ランダムシーケンスをチップレートで乗算される。このチップレートの結果は、モデムのバンド内データポートに入力され、そこで回転の次元数に等しい要因によってアップ・サンプリングを受ける。モデム変換は、アップ・サンプル・フィルタ処理された各サブシーケンスを、送信器のスペクトラムの重複したサブバンドへ直交加算する結果を生じさせる。この代わりに、単一拡散関数が情報に適用される。この情報は、所望の変調効率に従って分割されて、ベクターの成分となる。このベクターは、ウエーブレットフィルタバンクによって変換される。   Input information bits are assigned to the data representation coordinates of the vector, and each coordinate is multiplied by a unique pseudo-random sequence at the chip rate. This chip rate result is input to the modem's in-band data port where it is up-sampled by a factor equal to the number of dimensions of rotation. Modem conversion results in the orthogonal addition of each up-sample filtered subsequence to the overlapping subbands of the transmitter spectrum. Instead, a single diffusion function is applied to the information. This information is divided according to the desired modulation efficiency and becomes a component of the vector. This vector is transformed by the wavelet filter bank.

協同する受信器は、信号ベクターを逆回転してデータ空間座標に戻すことによって、サブバンドへの入力をフィルタ処理する。しかしながら、拡散関数の効果は、しきい値処理に先行して、除去されなければならない。これは、拡散信号が1より小さな信号対雑音比を有しているからである。「逆拡散」は、既知の拡散関数と、しきい値処理されていないデータ表現座標とを相関させることによって、達成される。送信器のデータ表現におけるベクターは、反転可能な秘密変換によって、バンド内信号空間のどこへでも再指向される(即ち、秘密ベクターのモジュロ加算によってデジタル的に暗号化される)ので、真に高信頼性の拡散スペクトラムがなされる。受信器は、逆拡散に先行して、しきい値処理されていないデータ表現を解読しなければならない。受信器は、逆回転、解読、逆拡散およびしきい値処理を、この順序で行う。幾何学的には、暗号化されたベクターは、常にN次元信号空間の半径である半径R内にある。モジュロRベクター減算は、暗号化された搬送ベクターに加算された大きな非整数雑音ベクターを保存して、それが後に相関(逆拡散)され、しきい値処理されるようにする。   Cooperating receivers filter the input to the subband by derotating the signal vector back to data space coordinates. However, the effect of the diffusion function must be removed prior to thresholding. This is because the spread signal has a signal-to-noise ratio less than one. “Despreading” is accomplished by correlating a known spreading function with unthresholded data representation coordinates. The vector in the transmitter data representation is redirected anywhere in the in-band signal space by an invertible secret transform (ie, digitally encrypted by the modulo addition of the secret vector), so it is truly high A reliable spread spectrum is made. The receiver must decipher the unthresholded data representation prior to despreading. The receiver performs reverse rotation, decoding, despreading and thresholding in this order. Geometrically, the encrypted vector is always within a radius R, which is the radius of the N-dimensional signal space. Modulo R vector subtraction preserves a large non-integer noise vector added to the encrypted carrier vector so that it can later be correlated (despread) and thresholded.

かくして、繰り返すが、N次元空間は、D/A変換器へのN個のサンプルによって定義される。データ座標系は、データ表現のN座標中のサブセットnがバンド内の情報点の全てを定義するように、選択される。n座標のそれぞれにとって、Bビットのデータは、2通りの整数レベルの1つとして、座標当たり(即ち、サブバンド当たり)2*Bビット/Hzの効率で送信される。サブバンドは、パスバンド内では完全に重複し、また典型的には−70dbのストップバンドを外部に有するので、総合帯域幅効率は、フィルタ遷移領域がデータ用に使用される総帯域幅と比較して無視できる場合には、名目的に2*Bビット/Hzである。残るN−n個のデータ座標は、データ用には使用されないが、モデムを同期させるためには使用できる。 Thus, again, the N-dimensional space is defined by N samples to the D / A converter. The data coordinate system is selected such that the subset n in the N coordinate of the data representation defines all of the information points in the band. For each of the n coordinates, B-bit data is transmitted as one of 2 B integer levels with an efficiency of 2 * B bits / Hz per coordinate (ie per subband). Since the subbands overlap completely within the passband and typically have a -70 db stopband externally, the overall bandwidth efficiency is compared to the total bandwidth where the filter transition region is used for data. 2 * B bits / Hz for nominal purposes. The remaining N-n data coordinates are not used for data, but can be used to synchronize modems.

従って、整数座標を有するデータベクターは、第1の交換可能な演算によって信号座標に回転させられる。幾何学的な観点からは、この演算は、データベクターのマッピング(または回転)用多位相行列を、信号ベクター表現に適用することである。別な方法では、マッピングは、有限インパルス応答(FIR)フィルタバンクや無限インパルス応答(IIP)シンセサイザーを使用することによって、実施される。その代わりに、マッピングは、いくつかの場合には、シンセサイザーによって行われるフィルタ処理と数学的に等価であると示されるウエーブレット変換であり得る。送信器における第1の交換可能な演算は、受信器における第2の交換可能な演算によって返礼される。これらの演算子は、一緒になって識別行列を生じさせ、入力データの完全な回復を可能にする。完全再構築(PR)QMFバンクの実際のFIR格子フィルタの実施は、識別行列にスカラー利得と純粋遅延とを乗じたものである。マトリクスが典型的には正規化されていない整数フォーマットであるので、利得要因が生じ、また純粋で周波数に依存しない遅延要因は、FIRフィルタを通しての遅延を表す。近完全再構築(NPR)フィルタバンクもまた、QMF設計の分野の当業者に知られている。FIR格子QMFは、幾何学的回転の交換可能な特性を使用することによって、設計される。FIR横断フィルタ形態は、格子形態から求められるが、そのようにする場合、PR特性が漏洩され、またフィルタバンクはNPRを与える。しかしながら、計算器援用設計技術を使用することによって、NPRフィルタは通常最適化されて、ストップバンド減衰に対して、例えば反復設計を開始することに使用されるPR格子フィルタよりも良好な総合特性を有したNPRフィルタとなる。従って、上述した開示および親特許である米国特許第5,367,516号のベースバンドモデムの変調器および復調器を構築することに使用されるマッピングは、可能な遅延および利得によって、それが完全または近完全再構築であるという面で、交換可能である。   Thus, a data vector having integer coordinates is rotated to signal coordinates by a first exchangeable operation. From a geometric point of view, this operation is to apply a multiphase matrix for data vector mapping (or rotation) to the signal vector representation. Alternatively, the mapping is performed by using a finite impulse response (FIR) filter bank or an infinite impulse response (IIP) synthesizer. Instead, the mapping may in some cases be a wavelet transform that is shown to be mathematically equivalent to the filtering performed by the synthesizer. The first exchangeable operation at the transmitter is reimbursed by the second exchangeable operation at the receiver. Together, these operators produce an identification matrix that allows complete recovery of the input data. The actual FIR lattice filter implementation of a fully reconstructed (PR) QMF bank is the identification matrix multiplied by a scalar gain and a pure delay. Since the matrix is typically an unnormalized integer format, a gain factor occurs, and a pure, frequency independent delay factor represents the delay through the FIR filter. Near perfect reconstruction (NPR) filter banks are also known to those skilled in the art of QMF design. The FIR grating QMF is designed by using the interchangeable properties of geometric rotation. The FIR transverse filter configuration is determined from the lattice configuration, but in doing so, the PR characteristics are leaked and the filter bank gives NPR. However, by using computer-aided design techniques, NPR filters are usually optimized to provide better overall characteristics for stopband attenuation than, for example, PR grating filters used to initiate iterative design. The NPR filter is provided. Thus, the mapping used to construct the baseband modem modulator and demodulator of the above disclosure and parent patent US Pat. No. 5,367,516 is completely Or it is interchangeable in terms of near-complete reconstruction.

図1のような2次元QMFは、多位相行列により、文献に記載されている。例えば、ハイパスフィルタおよびローパスフィルタがFIRである場合、各フィルタ転送関数は、Z変換変数の偶数および奇数の累乗に要因化される。それ故、H(z)がハイパスフィルタを記述し、またL(z)がローパスフィルタを記述する場合、QMFアナライザーのフィルタは、次のように要因化される。 The two-dimensional QMF as shown in FIG. 1 is described in literature by a multiphase matrix. For example, if the high pass and low pass filters are FIR, each filter transfer function is factored into even and odd powers of the Z transform variable. Therefore, if H (z) describes a high pass filter and L (z) describes a low pass filter, the filter of the QMF analyzer is factored as follows.

Figure 0004255376
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これは、次のような行列形態に書くことができる。   This can be written in the following matrix form:

Figure 0004255376
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QMFにおけるサンプルレート変化は、右側の遅延列行列と結合して、アナライザー用のシリアル/パラレル変換になる。また、その要素が列ベクターとして示されている右側の2×2行列は、多位相回転行列である。このサンプルレート変化はまた、zの累乗をzの累乗に変換するが、列ベクター中のzの累乗の係数だけが計算値に関連しているので、z変数はしばしば省略される。同様の定義がQMFシンセサイザーにも使用される。2バンドシンセサイザーへの入力におけるアップ・サンプリングは、奇数の係数だけが奇数の出力サンプルに貢献することを意味する。かくして、フィルタ処理は、1/2の長さのフィルタを使用して、1/2のレートで進行する。これは、多位相表記法が記述していることである。2より多いサブバンドを有したフィルタ用の多位相行列は、親特許である米国特許第5,367,516号に関連した引用文献に同様な手法で定義されている。 The sample rate change in the QMF is combined with the delay matrix on the right side to become a serial / parallel conversion for the analyzer. The 2 × 2 matrix on the right side, whose elements are shown as column vectors, is a multiphase rotation matrix. This sample rate change also converts a power of z 2 to a power of z, but the z variable is often omitted because only the coefficient of the power of z in the column vector is related to the computed value. A similar definition is used for the QMF synthesizer. Up-sampling at the input to the two-band synthesizer means that only odd coefficients contribute to odd output samples. Thus, the filtering process proceeds at a rate of 1/2 using a 1/2 length filter. This is what the multi-phase notation describes. A multiphase matrix for a filter having more than two subbands is defined in a similar manner in the cited reference relating to the parent patent US Pat. No. 5,367,516.

多位相行列は、FIR横断フィルタに対応した形態にさらに要因化される。このフィルタは、スカラーではなくベクターに作用する。即ち、スカラー要素を有する正方行列Cはそれぞれ累乗をzのj乗に乗算する。かくして、変調演算子[M]は、以下のように記述される。 The multiphase matrix is further factored into a form corresponding to a FIR cross filter. This filter works on vectors, not scalars. That is, multiplying the square matrix C J is power each having a scalar element multiplication j of z. Thus, the modulation operator [M] is described as follows.

Figure 0004255376
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この形態では、モデムはデータビットをフレーム化し、それらをベクターの座標に変換する。このベクターは、ベクターフィルタに入力されて、回転を行う。それ以前のL−1個のデータベクターが横断フィルタの遅延線に格納されている。ベクターフィルタは、行列Cを使用して、現在およびL−1個の以前のデータベクターを新しいベクターにマッピングし、それからベクター加算によって、結果のベースバンドモデム出力ベクターを見つける。受信器は、[D]に対応したベクターフィルタを使用して、逆回転によりデータを回復する。 一実施形態では、モデム回転を実施するために、ハードウエアASICが、係数のROMバンクを有した単一の時分割9タップ型フィルタと、シフトレジスターのバンクとを使用する。 In this form, the modem frames the data bits and converts them to vector coordinates. This vector is input to the vector filter and rotated. The previous L-1 data vectors are stored in the delay line of the transverse filter. The vector filter uses the matrix C j to map the current and L−1 previous data vectors to the new vector, and then finds the resulting baseband modem output vector by vector addition. The receiver uses a vector filter corresponding to [D] to recover data by reverse rotation. In one embodiment, the hardware ASIC uses a single time-division 9-tap filter with a coefficient ROM bank and a bank of shift registers to perform modem rotation.

このベクターフィルタ配置は勿論、回転の他の形態と数学的に等価である。しかしながら、横断形態は、上述した論議および親特許である米国特許第5,367,516号に記載されたモデムが、既知のモデム分野の横断等化器に適用されるものと同じ方法を使用して、伝送リンクの歪みに対して等化され得ることを示唆している。等化器フィルタと復調フィルタ[D]は、有意に1つの同じものであり得る。   This vector filter arrangement is of course mathematically equivalent to other forms of rotation. However, the transverse configuration uses the same method that the modem described in the above discussion and parent patent US Pat. No. 5,367,516 applies to known modem field transverse equalizers. This suggests that it can be equalized against transmission link distortion. The equalizer filter and the demodulation filter [D] can be significantly the same.

従って、本発明の異なる実施形態は、逆回転行列とも呼ばれる受信器多位相行列の適応調整を使用する。周波数依存歪みのいくつかの形態が伝送経路に導入されていると判断される場合、本FMモデムの、あるいは上述したり、親特許である米国特許第5,367,516号に見出される方法を使用した如何なるモデムの、受信器部分内の多位相フィルタは、そのような歪みを補償するように調整されうる。このことを述べるもう1つの方法は、逆回転行列中の逆回転係数のいくつかが、伝送経路中の周波数依存歪みを補償するように調整されるということである。この調整は、計算された誤り関数を最小化する。このことは、フィルタバンクの設計においてNPRを最適化する設計手順と同様である。しかしながら、モデムでは、NPR解は、情報を正確に再構築していない。これは、モデム伝送リンクの振幅歪みおよび遅延歪みのためである。FIR実施における受信器多位相フィルタバンクは、各サブバンド用FIRフィルタと等価である。ここで、フィルタ出力は、データを回復するために、デシメートされて、しきい値処理される。これは、モデム等化の分野の当業者には既知であるが、断片的に離された等化器と同じ形態である。それ故、モデムの分野の方法、例えば、限定されるものではないが、等化器の係数を誤り関数に比例して適応的に調整するための最小2乗平均(LMS)アルゴリズムが、復調器の多位相行列係数に適用されうる。これは、独立した等化器フィルタを用いずにリンク歪みを訂正する適応逆回転を、受信器に与えるためである。かくして、断片的にサンプリングされたFIRフィルタが提供される。受信器の多位相フィルタの調整は、通信の開始時になされ、そしてある設定で残される。あるいは、一例として、復調器からの整数または奇数のしきい値に関する雑音のRMS拡散をモニタすることによって動的に調整される。   Thus, different embodiments of the present invention use an adaptive adjustment of the receiver multi-phase matrix, also called the derotation matrix. If it is determined that some form of frequency dependent distortion has been introduced into the transmission path, the method of the present FM modem, or as described above or found in the parent patent US Pat. No. 5,367,516, The polyphase filter in the receiver portion of any modem used can be adjusted to compensate for such distortion. Another way to describe this is that some of the inverse rotation coefficients in the inverse rotation matrix are adjusted to compensate for frequency dependent distortion in the transmission path. This adjustment minimizes the calculated error function. This is the same as the design procedure for optimizing the NPR in the design of the filter bank. However, for modems, the NPR solution does not accurately reconstruct the information. This is due to amplitude distortion and delay distortion of the modem transmission link. The receiver multiphase filter bank in the FIR implementation is equivalent to each subband FIR filter. Here, the filter output is decimated and thresholded to recover the data. This is known to those skilled in the field of modem equalization but is in the same form as a fractionally spaced equalizer. Therefore, methods in the field of modems, such as, but not limited to, a least mean square (LMS) algorithm for adaptively adjusting equalizer coefficients in proportion to the error function, are included in the demodulator. Can be applied to multiple phase matrix coefficients. This is to provide the receiver with an adaptive reverse rotation that corrects for link distortion without using an independent equalizer filter. Thus, a piecewise sampled FIR filter is provided. The receiver's multi-phase filter adjustment is made at the beginning of the communication and is left at a certain setting. Alternatively, as an example, it is dynamically adjusted by monitoring the RMS spread of noise for integer or odd thresholds from the demodulator.

送信器と受信器との間の伝送リンクの付加雑音は、雑音ベクターを送信信号に付加する。この結果、受信器でなされる逆回転は、非整数座標を有する回復されたデータベクターを生じる。本発明の第1の単純化された実施形態では、しきい値演算子は、最近接の整数座標値を最有望シンボルとして採用する。より複雑な受信器の実施形態では、しきい値処理は、ビタビアルゴリズムによって実行される。これは、回転が、M−nの余剰自由度を有する畳み込みだからである。このことは、パリティビットを使用しない「自由」誤り訂正を可能にする。 Additional noise on the transmission link between the transmitter and receiver adds a noise vector to the transmitted signal. As a result, the reverse rotation made at the receiver results in a recovered data vector having non-integer coordinates. In the first simplified embodiment of the present invention, the threshold operator employs the nearest integer coordinate value as the most probable symbol . In more complex receiver embodiments, thresholding is performed by a Viterbi algorithm. This is because the rotation is a convolution with Mn extra degrees of freedom. This allows “free” error correction without the use of parity bits.

上記の開示および親特許である米国特許第5,367,516号によるモデムの各送信フレームでは、各D/Aサンプルは、変調器へのスケール入力および全ての他の残差入力に依存する。D/AおよびA/Dによるアナログへの、およびアナログからの変換で生じるエイリアシングを回避するために、好ましいモデムの設計では、データを送信することに最高周波数のサブバンドは使用されない。変換器への/からのサンプルの数は、サブバンドの総数Mに等しいので、送信信号には冗長性がある。他のサブバンドは、出力スペクトラムを仕上げるために、例えばDCを送信することを回避するために、オプションで省略されることがある。これにより、冗長性は、n/Mサンプルに更に増加される。固定振幅の符合を交互に変更する技術によって、例えば最高周波数のサブバンドに送信される同期信号は、情報を搬送しないので、冗長性を増加させない。受信器が、現在のフレームに先行して、ビット誤り無く、一連のフレームをしきい値処理した場合、その受信器は、現在のフレームの復調を助けるために、それらの結果を使用する。例えば、しきい値処理していない復調器出力は、2つの許容される奇数しきい値の間にある。どのソフト判定値が最も有望であるかを決定するために、受信器は、2つの可能な現フレームのソフト判定と共に、先行データフレームを使用して、変調された信号を受信器で発生し、実際の受信信号と相関をとることができる。それから、受信器は、どの整数レベルが現フレームについて最も有望に送信されたかに関し、より良好な相関に基づいて最終判定を行う。ビタビアルゴリズムによる動的プログラム法を通して実施されるこの手順は、上記の開示および親特許である米国特許第5,367,516号の変調器の畳み込み出力に固有な冗長性故に可能である。これは、モデムの分野でトレリス(Trellis)符号化変調(TCM)として知られているソフト順方向誤り訂正(FEC)法とは実質的に異なる。   In each transmit frame of a modem according to the above disclosure and parent patent US Pat. No. 5,367,516, each D / A sample depends on a scale input to the modulator and all other residual inputs. In order to avoid aliasing caused by conversion to and from analog by D / A and A / D, the preferred modem design does not use the highest frequency subband to transmit data. Since the number of samples to / from the converter is equal to the total number M of subbands, the transmitted signal is redundant. Other subbands may optionally be omitted to finalize the output spectrum, for example to avoid sending DC. This further increases the redundancy to n / M samples. With the technique of alternately changing the sign of the fixed amplitude, for example, a synchronization signal transmitted in the highest frequency subband does not carry information and therefore does not increase redundancy. If the receiver thresholds a series of frames without bit errors prior to the current frame, the receiver uses those results to help demodulate the current frame. For example, an unthreshold demodulator output is between two allowed odd thresholds. In order to determine which soft decision value is most probable, the receiver uses the preceding data frame along with two possible current frame soft decisions to generate a modulated signal at the receiver; It is possible to correlate with the actual received signal. The receiver then makes a final decision based on a better correlation as to which integer level was most likely transmitted for the current frame. This procedure, implemented through dynamic programming with the Viterbi algorithm, is possible because of the redundancy inherent in the convolution output of the above disclosure and the parent US Pat. No. 5,367,516 modulator. This is substantially different from the soft forward error correction (FEC) method known in the modem field as Trellis Coded Modulation (TCM).

TCMでは、一般に実践されているように、1以上の好適に計算されたパリティビットを送信前のデータに添付することによって、冗長性が与えられる。トレリス符号化法による符号化利得は、余剰パリティの送信に起因するビット毎のエネルギ損失を埋め合わせなければならない。さらには、TCMモデムは、最適化できない。これは、シャノン容量がパリティビットを送信するために犠牲にされるからである。このことは、この発明によるTCMの使用を排除するものではない。モデムの分野で知られている順方向誤り訂正の他の方法、例えば多次元符号化法もまた、座標回転によって生成される固有の多次元信号に適用可能である。かくして、通常はデータベクター用に奇数座標だけを使用する回転に基づいたデータモデムは、その代わりに、連続するベクターの座標を、偶数および奇数の大きな組から、ビットエラーの確率を減少させる手法で選択できる。   In TCM, redundancy is provided by attaching one or more suitably calculated parity bits to the data prior to transmission, as is commonly practiced. The coding gain according to the trellis coding method must make up for the energy loss per bit due to the transmission of surplus parity. Furthermore, the TCM modem cannot be optimized. This is because Shannon capacity is sacrificed to transmit parity bits. This does not exclude the use of TCM according to the invention. Other methods of forward error correction known in the modem field, such as multidimensional coding methods, are also applicable to unique multidimensional signals generated by coordinate rotation. Thus, a rotation-based data modem that normally uses only odd coordinates for the data vector would instead use a technique that reduces the probability of bit errors from a large set of even and odd pairs of successive vector coordinates. You can choose.

上記モデムと暗号化装置の双方の定義に暗示されているものは、データが回転してNバンドのアナログ信号になるという仮定である。D/AのNサンプルは、精密な時間フレーム内にある。厳密な同時必要条件を帯域幅に置くことは、既知の変換技術によって注意してなされなければならない。これは、正弦および余弦ベースの変換が、それら波形の無限の大きさによって、複雑にされるからである。時間が確実に制約されるときは、周波数成分は無限に延びる。この逆もまた真である。   What is implied in the definitions of both the modem and the encryption device is the assumption that the data is rotated into an N-band analog signal. N samples of D / A are within a precise time frame. Placing strict simultaneous requirements on bandwidth must be done with care by known conversion techniques. This is because sine and cosine based transformations are complicated by the infinite magnitude of their waveforms. When time is definitely constrained, the frequency component extends indefinitely. The reverse is also true.

ウエーブレット理論は、時間的に無限の大きさを有しない「マザーウエーブレット」に基づいて、変換を与える。フーリエ解析と同様に、多くの基底関数が一緒に合計されて、任意の信号を表す。マザーウエーブレットは、時間的に延長されシフトされて、1組の残差基底関数と、関連した1組のスケーリング基底関数とを形成する。かくして、プロトタイプの正弦波がフーリエ変換を生成するように、単一のマザーウエーブレットは、1つの変換を生成する。無数の「マザー」ウエーブレットがあり、それぞれが異なる変換を生成する。ウエーブレット変換は、全く実際のことである(仮想成分やキャリアは存在しない)。このことは、変調および等化の複雑さを半減する。実成分だけが関与するので、仮想成分を考慮する必要なしに、入力データストリームを周波数変調することが可能である。   Wavelet theory gives a transformation based on a “mother wavelet” that has no infinite magnitude in time. Similar to Fourier analysis, many basis functions are summed together to represent an arbitrary signal. The mother wavelet is extended and shifted in time to form a set of residual basis functions and an associated set of scaling basis functions. Thus, a single mother wavelet produces one transform, just as a prototype sine wave produces a Fourier transform. There are countless “mother” wavelets, each producing a different transformation. The wavelet transform is quite real (no imaginary component or carrier). This halves the complexity of modulation and equalization. Since only the real component is involved, it is possible to frequency modulate the input data stream without having to consider the virtual component.

本開示による例示的なFMモデムは、FM変調器へのベースバンド入力として、8次元多位相フィルタを使用する。下記の表に示されているように、バンド毎のビットの非線形分布が使用される。   An exemplary FM modem according to the present disclosure uses an 8-dimensional multiphase filter as a baseband input to the FM modulator. As shown in the table below, a non-linear distribution of bits per band is used.

Figure 0004255376
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かくして、現在示されている実施形態では、入力シンボル毎に合計で13ビットある。1つの設計目標は、各バンドがほぼ同じ電力を有することである(ここで、RMS平均=9db)。以下の等式によると、受信器から到来する雑音が、サブバンド周波数の2乗に依存しているように見える。電力スペクトル密度PSDは、カウチ(Couch)の「デジタルおよびアナログ通信システム」4版、マクミラン、等式7−125によって与えられる。 Thus, in the presently shown embodiment, there are a total of 13 bits per input symbol . One design goal is that each band has approximately the same power (where RMS average = 9 db). According to the following equation, the noise coming from the receiver appears to depend on the square of the subband frequency. The power spectral density PSD is given by Couch's “Digital and Analog Communication Systems” 4th edition, Macmillan, equations 7-125.

Figure 0004255376
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ここで、Kは、FM検出器の利得であり、Aは、キャリア振幅であり、Nは、ダブルサイドの雑音電力スペクトル密度である。 Here, K is the gain of the FM detector, A is the carrier amplitude, and N 0 is the double-side noise power spectral density.

この周波数対雑音関係によると、サブバンドがDCから遠ざかるにつれて、より少ないビットが各サブバンド内で伝送される。これは、雑音が周波数の2乗で増加するからである。それ故、最低周波数で多数のビットを送信することが可能になる。これは、受信器内の弁別器から到来する雑音が高いサブバンドでよりも有意に少ないからである。上記の例では、サブバンド0は4ビットを有するのに対し、サブバンド6は1ビットを有する。また、各バンド内のレベルの数は、FM弁別器の放物雑音密度関数PSDに適合するように選択される。   According to this frequency-to-noise relationship, fewer bits are transmitted within each subband as the subband moves away from DC. This is because noise increases with the square of the frequency. Therefore, it is possible to transmit a large number of bits at the lowest frequency. This is because the noise coming from the discriminator in the receiver is significantly less than in the high subband. In the above example, subband 0 has 4 bits, while subband 6 has 1 bit. Also, the number of levels in each band is selected to fit the FM discriminator parabolic noise density function PSD.

本発明の第1の実施形態では、減少する平均電力レベルと増加するサブバンド周波数とを有したサブバンドをFM変調器に与えることが可能である。例えば、最高サブバンドは、少ないビットしか搬送できないが、全てのサブバンドはビット毎に同じレベルのスペーシングを使用する。本発明の第2の実施形態では、サブバンド内の各ビットまたは複数のビットを表すレベルは、離されているか、プリエンファシス処理されている。これは、全てのサブバンドにわたって等価な平均電力を与えるためである。換言すれば、+/−1,3,5,7,9,11,13,15の電圧レベルは、サブバンド0で使用される。これは、このサブバンドに割り当てられた4ビットによって搬送されるデータを表すためである。+/−9の電圧レベルは、サブバンド6に割り当てられた単一ビットの状態0または1を表すことに使用される。これら2つのサブバンドに対する平均電力は、かくしてほぼ同じになる。レベルを高い周波数のサブバンドに離して配置するこの技術は、プリエンファシス技術と呼ばれる。この手法でそのデータ座標表現中にプリエンファシス処理された信号は、多位相座標回転フィルタによって、その信号座標表現に変換される。このサンプリングされたアナログ信号は、アナログFM送信器への入力として使用できる。受信器は、これらのレベルを検出して、それらをビットへ戻すように変換する。かくして、明示的なプリエンファシスフィルタやデエンファシスフィルタは必要とされない。   In the first embodiment of the present invention, it is possible to provide the FM modulator with a subband having a decreasing average power level and an increasing subband frequency. For example, the highest subband can carry fewer bits, but all subbands use the same level of spacing per bit. In the second embodiment of the present invention, the levels representing each bit or bits in the subband are separated or pre-emphasized. This is to provide an equivalent average power across all subbands. In other words, voltage levels of +/− 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 are used in subband 0. This is to represent the data carried by the 4 bits assigned to this subband. A voltage level of +/− 9 is used to represent a single bit state 0 or 1 assigned to subband 6. The average power for these two subbands is thus approximately the same. This technique of placing levels apart in high frequency subbands is referred to as a pre-emphasis technique. A signal pre-emphasized in the data coordinate representation by this method is converted into the signal coordinate representation by a multi-phase coordinate rotation filter. This sampled analog signal can be used as an input to an analog FM transmitter. The receiver detects these levels and converts them back into bits. Thus, no explicit pre-emphasis filter or de-emphasis filter is required.

上記の例では、各サブバンドに対するレベルは、整数として与えられている(即ち、+/−1,3,5・・・)。換言すれば、各サブバンドは、2レベルを有する。本応用の異なる実施形態では、与えられたサブバンド内のレベルの数は、2の累乗ではないが、合計Kビットがpサブバンドで伝送される場合、pサブバンド内のレベルの総数は2となる。二値マッピングアルゴリズムが使用されて、2〜nレベルのどれが表されているかを決定する。サブバンド毎のビットとシンボル毎のビットの総数を調整することによって、キャリア対雑音比に対する帯域幅の最適化が可能となる。計算機援用設計イテレーションは、これらの最適化値を提供する。 In the above example, the level for each subband is given as an integer (ie +/− 1, 3, 5...). In other words, each subband has 2 B levels. In different embodiments of the application, the number of levels in a given subband is not a power of 2, but if the total K bits are transmitted in the p subband, the total number of levels in the p subband is 2. K. A binary mapping algorithm is used to determine which of the 2-n levels are represented. By adjusting the total number of bits per subband and bit per symbol , the bandwidth can be optimized for the carrier-to-noise ratio. Computer aided design iteration provides these optimization values.

高い周波数のサブバンドのプリエンファシスを補償するために、受信器で受信された高い周波数の信号を「デエンファシス処理」することが必要である。高い周波数のサブバンドで多くのデータは送信されないが、そのデータは高いレベルで搬送される。これは、送信器から、サブバンド全体に均一な電力を与えるためである。高い周波数のサブバンドを減衰させると、デエンファシス利得Gdを生じさせる。このデエンファシスは、M次元に対して下式で近似される総合利得を生じさせる。   In order to compensate for the high frequency sub-band pre-emphasis, it is necessary to “de-emphasize” the high frequency signal received at the receiver. Although much data is not transmitted in the high frequency subband, the data is carried at a high level. This is to provide uniform power from the transmitter to the entire subband. Attenuating high frequency subbands results in de-emphasis gain Gd. This de-emphasis produces a total gain approximated by the following equation for the M dimension.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、Gは、注意深く設計されたモデムの利得であるか、各サブバンドで2レベルに制限されたレベルを有する設計において各サブバンドに対して僅かに変化する。明らかに、多数のサブバンドMは、利得を増加させる。さらなる利得の改良は、順方向誤り訂正によって、また伸張処理または制御されたベクターのフィルタ処理を使用してピーク対平均電力比PARを減少させることによって、可能である。後者の技術によって、出力ピーク電圧は、送信器で予め計算され、そして有用な情報を搬送しない余剰ビットは、データと共に送信される。これらの余剰ビットは、ベースバンド変調器からのピーク対平均電力比(PAR)を減少させる手法で選択される。 Here, G S is either a gain of carefully designed modem vary slightly for each subband in the design having a level which is limited to 2 B levels in each sub-band. Obviously, multiple subbands M increase the gain. Further gain improvements are possible by forward error correction and by reducing the peak-to-average power ratio PAR using decompression or controlled vector filtering. With the latter technique, the output peak voltage is pre-calculated at the transmitter, and surplus bits that do not carry useful information are transmitted with the data. These surplus bits are selected in a manner that reduces the peak-to-average power ratio (PAR) from the baseband modulator.

H(i)をサブバンドiにおけるプリエンファシス増幅とすると、サブバンドi=0〜M−1について、次のようになる。   Assuming that H (i) is pre-emphasis amplification in subband i, subband i = 0 to M−1 is as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、G用の上記式中の分母は、弁別器からの雑音のPSDのサブバンドiからサブバンドi+1までの積分に比例している。サブバンドi=0は、kビットのデータを搬送し、プリエンファシスを搬送しない。よって、H(0)=1である。サブバンド1は、H(1)=2でk−1ビットを搬送する。以下、同様である。M=8に対する典型的な割り当ては、各サブバンドにおいてほぼ等しい電力を生じさせる。 Here, the denominator in the above formula for G S is proportional to the integral of the sub-band i for noise PSD from the discriminator to subband i + 1. Subband i = 0 carries k-bit data and does not carry pre-emphasis. Therefore, H (0) = 1. Subband 1 carries k-1 bits with H (1) = 2. The same applies hereinafter. A typical assignment for M = 8 yields approximately equal power in each subband.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

シンボル毎に合計B=26ビットである。種々のビットレベルの割り当ては、サブバンド毎のビットの上記の例に示されている。 Total B = 26 bits per symbol . Various bit level assignments are shown in the above example of bits per subband.

総合利得Gは、上記のように与えられたデエンファシス利得Gdと、FM指数に起因して以下のように与えられるFM送信器利得Gm(変調器利得としても知られる)と、雑音低減利得Grとから求められる。総合利得Gは、次のように与えられる。   The total gain G includes the de-emphasis gain Gd given above, the FM transmitter gain Gm (also known as the modulator gain) given as follows due to the FM index, and the noise reduction gain Gr. It is demanded from. The total gain G is given as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、G’は、上記のように与えられたデエンファシス利得式からの最小デエンファシス利得Gdに等しい。模範的な変調利得要因Gmは、次のように与えられる。   Here, G ′ is equal to the minimum de-emphasis gain Gd from the de-emphasis gain equation given as described above. An exemplary modulation gain factor Gm is given as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、PARは、周波数変調器へのピーク対RMS電圧比であり、またmは変調指数である。   Where PAR is the peak to RMS voltage ratio to the frequency modulator and m is the modulation index.

FM指数は、ピークキャリア周波数偏とベースバンド信号のピーク周波数との比である。先の式に示されているように、ピーク対平均比(PAR)が増加すると、FM利得、即ち変調利得は減少する。この問題に取り組むために、本発明の別の実施形態は、FM送信器への挿入に先行したベースバンド信号の非線形増幅と、受信器での相補的な逆増幅とを使用する。これは、集合的に伸張と呼ばれる。好ましい実施形態では、対数Mu法関数が、テーブルルックアップによって送信器の増幅をデジタル的に行う。Mu法は、信号座標表現に適用される。大きなキャリア対雑音比(CNR)にとって好ましい実施形態では、データビットはフレーム化され、データ座標で表現され、その後プリエンファシス処理され、回転され、ルックアップによってMu法増幅され、さらにサンプリングされたシーケンスとしてFM変調器に適用される。前述したように、一実施形態では、逆圧縮減衰は、等化器を含む。 FM index is the ratio between the peak frequency of the peak carrier frequency polarization shift and the base-band signal. As shown in the previous equation, as the peak-to-average ratio (PAR) increases, the FM gain, or modulation gain, decreases. To address this issue, another embodiment of the present invention uses non-linear amplification of the baseband signal prior to insertion into the FM transmitter and complementary inverse amplification at the receiver. This is collectively referred to as stretching. In a preferred embodiment, the logarithmic Mu modulo function digitally amplifies the transmitter by table lookup. The Mu method is applied to signal coordinate representation. In a preferred embodiment for a large carrier-to-noise ratio (CNR), the data bits are framed, represented in data coordinates, then pre-emphasized, rotated, Mu-amplified by lookup, and as a sampled sequence. Applies to FM modulator. As described above, in one embodiment, the inverse compression attenuation includes an equalizer.

小さなCNRにとって好ましいもう1つの実施形態では、データはフレーム化され、データ座標で表現され、その後信号座標に回転され、デジタル的にMu法増幅され、データ座標に逆回転され、プリエンファシス処理され、信号座標に回転され、FM変調器に適用される。この後者の構成は、弁別器直後のデエンファシスを可能にするものであって、FMしきい値付近で動作するとき、あるいは大振幅非ガウス干渉の存在下で動作するときに好ましい。送信器の非線形増幅にとって好ましいMu法関数は、次のように表される。   In another preferred embodiment for a small CNR, the data is framed and represented in data coordinates, then rotated to signal coordinates, digitally Mu amplified, back rotated to data coordinates, pre-emphasized, Rotated to signal coordinates and applied to FM modulator. This latter configuration allows de-emphasis immediately after the discriminator and is preferred when operating near the FM threshold or when operating in the presence of large amplitude non-Gaussian interference. A preferred Mu method function for non-linear amplification of the transmitter is expressed as:

Figure 0004255376
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ここで、入力Viは、最大電圧値Vcを有し、また出力Voは、最大値Vpを有する。Muの値は、1より大きいか等しい。典型的には255である。FM偏位は、Vcが回転フィルタ計算の精度を反映してはいるが、Vpによって決定される。   Here, the input Vi has a maximum voltage value Vc, and the output Vo has a maximum value Vp. The value of Mu is greater than or equal to 1. Typically 255. The FM excursion is determined by Vp, although Vc reflects the accuracy of the rotation filter calculation.

対数増幅の第2の利点は、受信器で必要な対数逆増幅(即ち、逆圧縮)の結果であり、これは減衰に等しい。入力信号は、伝送リンクの何れかの端部において対数的に増幅され、それから逆増幅される。しかしながら、雑音がこの伝送リンクに導入されている。それ故、この雑音が逆対数的に減衰されて、上記の受信器利得等式に示すように、雑音低減利得Grを生じる。   A second advantage of logarithmic amplification is the result of the logarithmic inverse amplification (ie, decompression) required at the receiver, which is equivalent to attenuation. The input signal is amplified logarithmically at either end of the transmission link and then de-amplified. However, noise has been introduced into this transmission link. Therefore, this noise is attenuated anti-logarithmically, resulting in a noise reduction gain Gr, as shown in the receiver gain equation above.

モデムのビットエラーレートは、ビット当たりのエネルギに依存する。換言すれば、このエネルギは、各データ表現レベルを分離する。このレートはまた、雑音エネルギ密度にも依存する。FMモデムの信号対雑音比は、次の通りである。   The bit error rate of a modem depends on the energy per bit. In other words, this energy separates each data representation level. This rate also depends on the noise energy density. The signal-to-noise ratio of the FM modem is as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

かくして、線形モデムとは異なり、効率は連続してC/Nに対する設計値に依存する。線形モデムの効率は、例えば4−PSKから8−PSKへ向かう変調レベルを加えるときに、段階的に変化する。与えられた設計について、C/Nの増加は、ビットエラーレート(BER)を線形および非線形双方のモデムについて改良する。しかしながら、FMモデムのC/Nの小さな増加は、その代わりに、帯域幅効率を増加することに、または同じ効率で帯域幅を減少することに使用できる。即ち、増加したC/Nは、FM変調指数を減少することに使用できる。FM変調指数は、カーソン(Carson)の規則によって帯域幅を低下させる。この規則は、FMまたは非線形PMの帯域幅Wを、以下のように特定する。   Thus, unlike a linear modem, the efficiency is continuously dependent on the design value for C / N. The efficiency of a linear modem changes step by step, for example when applying a modulation level from 4-PSK to 8-PSK. For a given design, increasing C / N improves the bit error rate (BER) for both linear and nonlinear modems. However, a small increase in FM modem C / N can instead be used to increase bandwidth efficiency or to decrease bandwidth with the same efficiency. That is, the increased C / N can be used to decrease the FM modulation index. The FM modulation index reduces the bandwidth according to the Carson rule. This rule specifies the FM or nonlinear PM bandwidth W as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、wはベースバンド帯域幅である。かくして、非線形モデムシステムは、設計C/N値に対するC/Nの過剰分を使用することによって、一定のBERおよび効率を維持しながら、隣接チャネル干渉(ACI)を低減できる。あるいは、モデムは、同じBERおよびACIで効率を増加させることができる。   Here, w is a baseband bandwidth. Thus, non-linear modem systems can reduce adjacent channel interference (ACI) while maintaining a constant BER and efficiency by using a C / N excess relative to the design C / N value. Alternatively, the modem can increase efficiency with the same BER and ACI.

モデムの信号対雑音比は、以下のように、Eb/N0にモデムの帯域幅効率(ビット/秒/Hzで与えられる)を乗じたものとなる。   The modem signal-to-noise ratio is Eb / N0 multiplied by the modem bandwidth efficiency (given in bits / second / Hz), as follows:

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、Eb/N0は、ビット当たりのエネルギ対雑音エネルギ密度を反映する。   Here, Eb / N0 reflects energy per bit versus noise energy density.

FM伝送技術の前述したデータ伝送への応用は、振幅歪みがFMにとって無関係であるという事実から利益を生ずる。これは、例えば受信器がゼロクロス点を追跡することによって、周波数から情報が検索されるためである。図12では、FMダブルサイドバンドによるデータの伝送が、フロー図の形態で描かれている。ステップ230では、伝送すべきデータが、前述したように、多位相フィルタ処理される。また前述したように、FIRフィルタ処理は、それ以前の与えられた数の多位相フィルタ処理の加算を含んでいる。この点については、図14に関連して説明される。 The application of FM transmission techniques to the aforementioned data transmission benefits from the fact that amplitude distortion is irrelevant to FM. This is because information is retrieved from the frequency, for example, by the receiver tracking the zero cross point. In FIG. 12 , data transmission by FM double sideband is depicted in the form of a flow diagram. In step 230, the data to be transmitted is multiphase filtered as described above. Also, as described above, FIR filtering includes the addition of a given number of previous multiphase filtering processes. This point will be described in connection with FIG. 14.

一般に認識されていることではあるが、周波数変調は、1)キャリアの周波数を直接調整することによって、または2)送信すべき情報の積分である信号でキャリアの位相を調整することによって、達成される。周波数変調を達成することに位相調整を使用することは、本発明の一実施形態では好ましいことである。これは、位相変調を完全なデジタル的手法で可能とするチップが利用可能となり、かくして入力信号の再生可能性を最大化するためである。位相調整FMは、FMダブルサイドバンドについては図12に、またFMシングルサイドバンドについては図13に示されている。 As is generally recognized, frequency modulation is achieved by 1) directly adjusting the frequency of the carrier, or 2) adjusting the phase of the carrier with a signal that is an integral of the information to be transmitted. The The use of phase adjustment to achieve frequency modulation is preferred in one embodiment of the present invention. This is to make available a chip that allows phase modulation in a completely digital manner, thus maximizing the reproducibility of the input signal. The phase adjustment FM is shown in FIG. 12 for the FM double sideband and in FIG. 13 for the FM single sideband.

図12では、多位相フィルタ処理された入力が、ステップ232で積分される。ステップ236では、正弦キャリア信号をデジタル的にシミュレートすることにルックアップテーブルが使用される。このキャリア信号は、それから多位相フィルタ積分の結果を使用して位相変調される(ステップ238)。この信号のゼロクロス点は、符号化された情報を含んでいるので、ゼロクロス点をカウントすることによって(デジタル的に−ステップ240)、所望の情報がRFスイッチング増幅器に与えられる(ステップ242および244)。本発明の第1の実施形態では、スイッチング増幅器は、C級増幅器である。第2の実施形態では、パスバンドでFMを生じるさせるためにVCOが使用される。第3の実施形態では、同相および直交技術を使用してFMが生じる。   In FIG. 12, the multiphase filtered input is integrated at step 232. In step 236, a lookup table is used to digitally simulate the sine carrier signal. This carrier signal is then phase modulated using the result of the multiphase filter integration (step 238). Since the zero cross point of this signal contains encoded information, counting the zero cross point (digitally-step 240) provides the desired information to the RF switching amplifier (steps 242 and 244). . In the first embodiment of the present invention, the switching amplifier is a class C amplifier. In the second embodiment, a VCO is used to generate FM in the passband. In the third embodiment, FM is generated using in-phase and quadrature techniques.

FMダブルサイドバンドは、従来技術のモデムに対して有意な利点を与える。それは、振幅変調された信号に関連した雑音に対する免疫を与える。非線形増幅に起因した歪みは回避される。使用されるRF増幅器は、精密(および高価)である必要はない。これは、振幅変調が精密に再生される必要がないからである。それはまた、ある程度の回路の単純さを与える。これは、キャリアの回復が受信器では必要とされないからである。   The FM double sideband offers significant advantages over prior art modems. It provides immunity to noise associated with amplitude modulated signals. Distortion due to nonlinear amplification is avoided. The RF amplifier used need not be precise (and expensive). This is because the amplitude modulation need not be accurately reproduced. It also gives some degree of circuit simplicity. This is because carrier recovery is not required at the receiver.

しかしながら、FMダブルサイドバンドは、FMシングルサイドバンドと比較して半分の帯域幅効率を与える。それ故、本発明のもう1つの実施形態は、FMシングルサイドバンドを使用する。図13のフロー図は、本発明用のFMシングルサイドバンドを示している。ステップ250では、入力データは、例えば前述したようにFIRフィルタやウエーブレット変換を使用して、多位相フィルタ処理されている。このステップは、以下で説明される図14で更に展開される。多位相フィルタ出力は、それから積分され、この結果が記憶される(ステップ252)。 However, the FM double sideband provides half bandwidth efficiency compared to the FM single sideband. Therefore, another embodiment of the present invention uses FM single sidebands. The flow diagram of FIG. 13 shows the FM single sideband for the present invention. In step 250, the input data is multiphase filtered using, for example, an FIR filter or wavelet transform as described above. This step is further developed in FIG. 14 described below. The polyphase filter output is then integrated and the result stored (step 252).

ヒルバート変換は、入力信号を処理して、入力を90度効果的に位相シフトする(ステップ254)。ヒルバートフィルタ処理の出力は、同様に積分される(ステップ256)。ヒルバートフィルタ積分は、それから指数関数的なルックアップテーブルに入力される(ステップ258)。   The Hilbert transform processes the input signal and effectively phase shifts the input by 90 degrees (step 254). The output of the Hilbert filter process is similarly integrated (step 256). The Hilbert filter integration is then entered into an exponential lookup table (step 258).

正弦キャリア信号は、ステップ260でルックアップテーブルを使用してデジタル的にシミュレートされる。このキャリアは、それから積分された多位相フィルタ出力を使用して位相変調される(ステップ262)。   The sine carrier signal is digitally simulated using a look-up table at step 260. This carrier is then phase modulated using the integrated polyphase filter output (step 262).

FMダブルサイドバンドのシナリオによって、位相変調キャリアのゼロクロス点が計算され(ステップ264)、そしてゼロクロス点に対応したデジタルパルス列が生成される(ステップ266)。最後に、シングルサイドバンドの場合には、入力電流が指数関数的ルックアップテーブルからの出力に比例するスイッチング増幅器は、デジタルゼロクロスパルス列を増幅する(ステップ268)。   According to the FM double sideband scenario, the zero cross point of the phase modulated carrier is calculated (step 264) and a digital pulse train corresponding to the zero cross point is generated (step 266). Finally, in the case of a single sideband, a switching amplifier whose input current is proportional to the output from the exponential look-up table amplifies the digital zero cross pulse train (step 268).

FMダブルまたはシングルサイドバンドの何れかの場合、送信手順の第1のステップ、即ち入力データの多位相フィルタ処理は、次のように達成される。図14を参照すると、入力データは先ず、Bビットを有するブロックに分割され、ここでBビットは更に、ベクターのM座標に分離される(ステップ270)。図示のフロー図では、B=13およびB=8であるが、これらの変数に対する他の値も使用可能である。デエンファシス利得要因は、(M/(M−1))によって変化するので、Mの増加はキャリア対雑音比の減少を可能にする。最適な数は経験的に決定され、そしてサブバンド全体のプリエンファシスの決定に必ず影響を与える。これは、デエンファシス利得要因に関連して先に論議した通りである。 For either FM double or single sideband, the first step of the transmission procedure, ie multi-phase filtering of the input data, is accomplished as follows. Referring to FIG. 14 , the input data is first divided into blocks having B bits, where the B bits are further separated into M coordinates of the vector (step 270). In the illustrated flow diagram, B = 13 and B = 8, but other values for these variables can be used. Since the de-emphasis gain factor varies with (M 3 / (M−1)), an increase in M allows a decrease in the carrier to noise ratio. The optimal number is determined empirically and always affects the determination of pre-emphasis for the entire subband. This is as discussed above in relation to the de-emphasis gain factor.

今回のベクターと以前のL個のベクターを保持するために、ステップ272でスタックが使用される。図示のように、第1の実施形態は、L=9個のベクターを使用する。これらL個のベクターは、M×M次元のスカラー行列を乗じられて、初期の多位相フィルタ処理を実現する(ステップ274)。図示のように、このスカラー行列は8×8である。続いて、ステップ276では、各イテレーションについて異なる8×8行列を使用して、スタックに格納されている以前の(L−1)個のベクターに対し行列乗算を行し、その結果が蓄積されて出力される(ステップ278)。ステップ280に記載されているように、図14に示されたそれまでのステップはそれから、Rビット/秒を伝送するために、シンボルレート(R/B)で繰り返される。 The stack is used in step 272 to hold the current vector and the previous L vectors. As shown, the first embodiment uses L = 9 vectors. These L vectors are multiplied by an M × M dimensional scalar matrix to realize the initial multiphase filter processing (step 274). As shown, this scalar matrix is 8 × 8. Subsequently, in step 276, matrix multiplication is performed on the previous (L−1) vectors stored in the stack using a different 8 × 8 matrix for each iteration, and the result is accumulated. Is output (step 278). As described in step 280, the previous steps shown in FIG. 14 are then repeated at the symbol rate (R / B) to transmit R bits / second.

前記説明の全てにおいて、この多位相技術により入力データをFM変調するための代替手順も実行可能である点が理解される。しかしながら、説明された手順は、デジタルであるデータ操作の割合を最大化する。   In all of the above description, it is understood that an alternative procedure for FM modulation of the input data can also be performed with this multi-phase technique. However, the described procedure maximizes the percentage of data operations that are digital.

図15を参照すると、FM送信データを受信するための手順が示されている。ステップ284では、受信信号は、低雑音増幅され、そしてイメージフィルタを通過させられている。これは、受信信号と局部発振器を混合することによって導入されたイメージを消去するためである。次に、ステップ286では、フィルタ処理された受信信号が、中間周波数にダウンコンバートされ、そしてバンド内フィルタ処理される。IFのゼロクロス点は、ステップ288でカウントされる。FM変調を使用して、キャリア信号を回復したり、キャリアの位相を決定する必要はない。 Referring to FIG. 15 , a procedure for receiving FM transmission data is shown. In step 284, the received signal is low noise amplified and passed through an image filter. This is to erase the image introduced by mixing the received signal with the local oscillator. Next, in step 286, the filtered received signal is downconverted to an intermediate frequency and in-band filtered. The zero crossing point of IF is counted in step 288. There is no need to use FM modulation to recover the carrier signal or determine the phase of the carrier.

ステップ290のDCフィルタ処理は、本発明の応用に有用であって、実質的なドップラーシフトを受ける。ドップラーシフトが既知の軌道パラメータに追従する低地球軌道衛星で使用されるモデムに対して、そのようなDCまたは低周波歪みを消去するために、1つの例ではフィルタ処理が使用される。そのような低周波歪みに対応するもう1つの方法は、最低周波数のサブバンドの使用を回避することである。同じステップのデシメーションフィルタ処理は、ゼロクロス点のカウントを円滑化する。後者は、十分な信号分解能に対して高いレートにあることが必要であるが、それは不要な雑音を招来する。ステップ292では、多位相フィルタ処理は、伝送手順の第1ステップで使用された交換可能な演算子の応用を含む。   The DC filtering of step 290 is useful for the application of the present invention and is subject to substantial Doppler shift. For modems used in low earth orbit satellites where the Doppler shift follows known orbit parameters, filtering is used in one example to eliminate such DC or low frequency distortion. Another way to deal with such low frequency distortion is to avoid using the lowest frequency subband. The same step of decimation filtering facilitates the counting of zero cross points. The latter needs to be at a high rate for sufficient signal resolution, but it introduces unwanted noise. In step 292, polyphase filtering involves the application of the interchangeable operator used in the first step of the transmission procedure.

しきい値処理は、受信レベル間を弁別することに使用される。伝送信号は、複数の容易に区別可能なレベルの1つで送信される。しかしながら、伝送リンクに導入された雑音は、受信信号を、予測されるレベルの中間の点へシフトする。従ってステップ294では、デシメートされた受信信号を複数の信号レベルの1つに割り当てることが必要である。   Threshold processing is used to discriminate between reception levels. The transmission signal is transmitted at one of a plurality of easily distinguishable levels. However, noise introduced in the transmission link shifts the received signal to an intermediate point in the expected level. Therefore, in step 294, it is necessary to assign the decimated received signal to one of a plurality of signal levels.

FMデータ伝送を使用したキャリア回復は必要とされないが、ベースバンド同期は、ビット同期回復のいくつかの形態を必要とする(ステップ294)。先に述べたように、そのような同期情報は、データ伝送に使用されていないサブバンドで伝送可能である。ドップラーシフトが問題であると予測される場合は、例えば低地球軌道衛星通信では、最低周波数サブバンドは、データ用には使用されず、同期伝送用に利用可能となる。   Although carrier recovery using FM data transmission is not required, baseband synchronization requires some form of bit synchronization recovery (step 294). As mentioned earlier, such synchronization information can be transmitted in subbands that are not used for data transmission. If Doppler shift is predicted to be a problem, for example, in low earth orbit satellite communications, the lowest frequency subband is not used for data but is available for synchronous transmission.

同様に、最高周波数サブバンドは、典型的には使用できない。等価A/DおよびD/A変換動作でエイリアシングを回避するに全く十分なフィルタは存在しない。最高から2番目のサブバンドと最高サブバンドとの間の3db点で既知のビットパターンを伝送することによって、同期情報は、送信信号の帯域幅内になるが、使用可能なデータ帯域幅ではない。そのような同期情報は、DC信号を同期ビットレートでサンプリングすることによって、挿入され得る。ハイパスおよびローパスのフィルタ処理は、そのサンプルレートで正弦波出力を生じさせる。各方形波は、それぞれのサブバンドの高または低端部にある。かくして、この同期信号は、パイロットトーンと類似して、データ信号の全てに直交している。   Similarly, the highest frequency subband is typically not usable. There is no filter at all sufficient to avoid aliasing in equivalent A / D and D / A conversion operations. By transmitting a known bit pattern at the 3db point between the second highest subband and the highest subband, the synchronization information is within the bandwidth of the transmitted signal, but not the available data bandwidth. . Such synchronization information can be inserted by sampling the DC signal at the synchronization bit rate. High-pass and low-pass filtering produces a sine wave output at that sample rate. Each square wave is at the high or low end of the respective subband. Thus, this synchronization signal is orthogonal to all of the data signals, similar to the pilot tone.

ステップ292の演算子の応用に含まれた特定のステップが、図16に示されている。具体的には、サンプリングされた入力は、伝送手順で使用されたものと同じ数Mの次元を有するベクターに分割される(ステップ300)。図示の例では、M=8である。この結果は、L個のベクターのスタック上に押し込まれる(ステップ302)。この例では、L=9を使用している。このスタック上の最初のベクターは、ステップ304で、伝送シーケンスで使用されたと同じ8×8スカラー行列と乗算される。これは、スタック上でL−1個の以前のベクターに対して繰り返され、その結果が蓄積される(ステップ306)。この蓄積された結果は、結果ベクター合計の座標を与える(ステップ308)。これは、ステップ294のしきい値処理および回復の後に、元の送信データを生じる。図16のステップは、Rビット/秒を受信するために、シンボルレートR/Bで繰り返される(ステップ310)。 The specific steps involved in the application of the operator in step 292 are shown in FIG. Specifically, the sampled input is divided into vectors having the same number M of dimensions as used in the transmission procedure (step 300). In the illustrated example, M = 8. This result is pushed onto a stack of L vectors (step 302). In this example, L = 9 is used. The first vector on this stack is multiplied at step 304 with the same 8 × 8 scalar matrix used in the transmission sequence. This is repeated for L-1 previous vectors on the stack and the results are accumulated (step 306). This accumulated result gives the coordinates of the result vector total (step 308). This results in the original transmitted data after thresholding and recovery in step 294. The steps of FIG. 16 are repeated at symbol rate R / B to receive R bits / second (step 310).

前述したステップは、これが、全ての実践的目的に対して、全デジタル式FMモデムであることを示している。非デジタル部分は、ステップ244および268で使用される受動タンク回路と、ステップ284および286の受信器フロントエンドと、指数関数的ルックアップテーブルを使用してC級スイッチング増幅器に入力する電流を変調するに必要なD/A変換器だけである。送信器のRF電力増幅器は、実際にデジタルスイッチである。フィルタもまた、全ての乗算が二値シフトおよび加算となるように、実施できる。かくして、ASICのコストおよび電力消失を低減することができる。   The steps described above show that this is an all-digital FM modem for all practical purposes. The non-digital portion modulates the current input to the class C switching amplifier using the passive tank circuit used in steps 244 and 268, the receiver front end of steps 284 and 286, and an exponential look-up table. It is only the D / A converter necessary for this. The transmitter RF power amplifier is actually a digital switch. The filter can also be implemented so that all multiplications are binary shifts and additions. Thus, ASIC costs and power loss can be reduced.

これまでの説明と等式は、アナログ変換器でのエイリアシングを防止することに、Mサブバンドの1つだけが使用されないものと概ね仮定している。代替実施形態では、1より多いサブバンドを未使用にすることから、速度の利点が生じる。   The previous description and equations generally assume that only one of the M subbands is not used to prevent aliasing in the analog converter. In an alternative embodiment, the speed advantage arises because more than one subband is unused.

これまでに認識されたように、この技術および一般的な構造は、異なる実施形態において、AM変調を使用した多位相フィルタ処理されたデータの伝送に適用できる。受信回転行列の適応回転は、上述したように、LMSアルゴリズムを使用するAM変調モデムに適用できる。LMS法にとって、ベクターフィルタタップ行列の列は、誤りに比例したベクターに、そのタップ用にフィルタ遅延線に格納されている入力ベクターを掛けたものを減算することによって、繰り返し訂正される。誤りは、モデム受信器の非量子化出力と量子化出力との差(即ち、誤りマージン)であるか、非量子化出力と既知のトレーニングデータシーケンスとの差のいずれかである。これらの一般的な技術は、モデム等化器に使用されているものと同様である。例外は、それらが独立した等化器なしに回転行列に適用される点である。   As previously recognized, this technique and general structure can be applied to transmission of multi-phase filtered data using AM modulation in different embodiments. The adaptive rotation of the reception rotation matrix can be applied to an AM modulation modem using the LMS algorithm as described above. For the LMS method, the column of the vector filter tap matrix is iteratively corrected by subtracting the vector proportional to the error multiplied by the input vector stored in the filter delay line for that tap. The error is either the difference between the unquantized output of the modem receiver and the quantized output (ie, error margin) or the difference between the unquantized output and the known training data sequence. These general techniques are similar to those used in modem equalizers. The exception is that they are applied to the rotation matrix without an independent equalizer.

ここで開示されているモデムの一実施形態に関して上述したように、入力データのパラレルストリームは、データリンクを通して伝送する前に、マルチレートフィルタバンクを使用して回転されたベクターである。理想的な条件下では、データリンクは何も歪みを導入せず、またフィルタのインパルス応答は一致したウエーブレットであり、さらに受信器のマルチレートフィルタバンクは、ベクター空間で逆回転として振る舞う。理想的には、受信器フィルタバンクの各バンドのシンボルレートでのサンプリングは、入射信号の自己相関を効果的に計算する。ウエーブレット変換を達成することによって元のデータを完全に回復するためには、全ての他のバンドと同様に、同バンド内の過去および将来のシンボルからフィルタ内に格納された全ての早期および後期の重複したウエーブレットに対する受信信号の相互相関がゼロであるか、少なくとも、無視できる「自己干渉量」にしなければならない。換言すれば、クロスタームが直交していなければならない。それでも、データリンク歪みは直交性を乱し、また自己干渉引き起こす。 As described above with respect to one embodiment of the modem disclosed herein, the parallel stream of input data is a vector that has been rotated using a multirate filter bank prior to transmission over the data link. Under ideal conditions, the data link introduces no distortion, the impulse response of the filter is a matched wavelet, and the receiver multirate filter bank behaves as a counter-rotation in vector space. Ideally, sampling at the symbol rate of each band of the filter bank of the receiver effectively calculate the autocorrelation of the incoming signal. To completely recover the original data by achieving wavelet transform, like all other bands, all early and stored in the filter from the past and future symbols in the same band or cross correlation of the received signal for later duplicate wavelet is zero, least must also be a "self-interference amount" negligible. In other words, the cross terms must be orthogonal. Nevertheless, the data link distortion disturb the orthogonal, also cause the self-interference.

送信器は、周波数基準「パイロット」トーンを、例えばデータ搬送に使用されていないサブバンドで、受信器に送信する。受信器では、位相同期ループ(PLL)が使用できる。これは、PLLバンド内に小さな残差位相誤差だけが存在するように、受信信号の位相および周波数を受信器の相関器に同期させるためである。D/AおよびA/D変換器用のアナログ変換フィルタをそれぞれ送信器および受信器に含んだリンクは、バンド毎に位相が変化(即ち、分散)する線形応答を有しない。   The transmitter transmits frequency reference “pilot” tones to the receiver, eg, in subbands that are not used for data transport. At the receiver, a phase locked loop (PLL) can be used. This is to synchronize the phase and frequency of the received signal with the correlator of the receiver so that only a small residual phase error exists in the PLL band. Links that include analog conversion filters for the D / A and A / D converters in the transmitter and receiver, respectively, do not have a linear response that varies (ie, varies) in phase from band to band.

このようなオフセットに対応するために、ウエーブレットの組に対する相互相関がフィルタ処理過程によって計算される。一実施形態における送信器および受信器のマルチレートフィルタバンクは、上述したように、ウエーブレット関数W(I,J)であるフィルタ係数を有する。フィルタ内にMサブバンドがある場合、Iは1〜Mの範囲にあり、またJは送信器おける現在のシンボルの時間であり、jはそのシンボルが受信器に到達したときの時間である。デジタル処理にとって、時間はサンプルの中で測定されるので、IおよびJは整数であり、iは受信器で処理される特別なサブバンドである。 To accommodate such offset, the cross-correlation for the set of wavelets are computed by the filter process. The transmitter and receiver multi-rate filter banks in one embodiment have filter coefficients that are wavelet functions W (I, J), as described above. If there are M subbands in the filter, I is in the range 1 to M, J is the time of the current symbol at the transmitter, and j is the time when the symbol reaches the receiver. For digital processing, time is measured in samples, so I and J are integers, and i is a special subband processed at the receiver.

モデムは、Mサンプルのそれぞれについて時間Tだけ離れたシンボルを送信する。この結果、シンボルは、・・・J−3T,J−2T,J−T,J,J+T,J+2T・・・で送信される。Jで送信されたシンボルは、時刻jに受信器へ到達する。かくして、特異なシンボルは、受信器での処理用にj+nTに到達する。ウエーブレットは、制限された期間を有し、Nシンボルだけを跨ぐ。この結果、「n添字」は、−(N−1)と+(N−1)との間の小さな範囲に限定される。これは、時刻jで受信シンボルと時間的に重なる全てのウエーブレットをカバーするためである。 The modem transmits symbols separated by time T for each of the M samples. As a result, symbols are transmitted as... J-3T, J-2T, J-T, J, J + T, J + 2T. The symbol transmitted at J arrives at the receiver at time j. Thus, singular symbols reach j + nT for processing at the receiver. A wavelet has a limited period and spans only N symbols . As a result, the “n index” is limited to a small range between − (N−1) and + (N−1). This is to cover all wavelets that overlap in time with the received symbols at time j.

サブバンドは、どのサブバンドiでも隣のサブバンドだけと重複するように、良く周波数が定義されている。かくして、バンドi+mだけを考慮すれば足りる。ここで、mは例えば−2,−1,0,+1,+2の範囲にあり、それぞれの側で最も近い2つの隣接するサブバンドを超えて周波数が重複する部分はない。即ち、m>2の大きさに対して、このフィルタはそのストップバンド内にある。勿論、i+mは常に1〜Mの範囲にあり、Mはフィルタ内のサブバンドの合計数である。   The frequency of the subband is well defined so that any subband i overlaps with only the adjacent subband. Thus, it is sufficient to consider only the band i + m. Here, m is in the range of, for example, -2, -1, 0, +1, +2, and there is no portion where the frequency overlaps over the two adjacent subbands closest to each side. That is, for a magnitude of m> 2, this filter is in its stopband. Of course, i + m is always in the range of 1 to M, where M is the total number of subbands in the filter.

送信器は、データシンボルD(I,J)中のビットを符号化し、各バンドに対して振幅重み付けされたウエーブレットを送信する。シンボルは、以下のように送信される。 The transmitter encodes the bits in the data symbol D (I, J) and transmits an amplitude weighted wavelet for each band. The symbols are transmitted as follows:

Figure 0004255376
Figure 0004255376

全ての活性なサブバンドに対するこれらタームの合計は、時刻jに受信器に到達する。ここで、j=(J+リンク内の遅延)である。mを除く全サブバンドを考えることは、バンドiを受信するについて有意ではない。   The sum of these terms for all active subbands reaches the receiver at time j. Here, j = (J + delay in link). Considering all subbands except m is not significant for receiving band i.

Figure 0004255376
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かくして、合計が全ての許容されるmおよびnについてとられるときに、時間が重複し、かつ周波数が重複した一連のウエーブレットがある。   Thus, when the sum is taken for all allowed m and n, there is a series of wavelets with overlapping time and overlapping frequencies.

受信器は、そのタイミングと、必要であれば、受信器フィルタのウエーブレットの位相を調整する。この結果、受信器フィルタは、各シンボル期間T毎のW(i,j)との内積を評価して、以下を得る。 The receiver adjusts its timing and, if necessary, the phase of the wavelet of the receiver filter. As a result, the receiver filter evaluates the inner product with W (i, j) for each symbol period T to obtain:

Figure 0004255376
Figure 0004255376

表記法<,>は内積を表す。定数C00はウエーブレットの自己相関、即ちそれ自身との内積を表す。この結果、データシンボルは、C00で割ることによって見出される。かくして、以下のようになる。 The notation <,> represents the inner product. The constant C 00 represents the autocorrelation of the wavelet, that is, the inner product with itself. As a result, data symbols can be found by dividing the C 00. Thus, it becomes as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ここで、D(i,j)は、時間遅延した送信シンボルD(I,J)である。複数のウエーブレット関数は、確実に、あるいはほとんど、直交している。それ故、受信器では、クロスターム内積は、設計によって、全てゼロであるか、C00と比較して非常に小さい。受信器は、しきい値検出により正規化された回復されたシンボル(Normalized Recovered Symbol)から精密にシンボルを回復する。 Here, D (i, j) is a transmission symbol D (I, J) delayed in time. The wavelet functions are reliably or almost orthogonal. Therefore, in the receiver, the cross-term inner product, by design, or all zeros, very small compared to C 00. Receiver precisely recover the symbols from the normalized recovered symbols (Normalized Recovered Symbol) by threshold detection.

全ての関連したウエーブレット相関または内積は、バンドiについて、次のように書くことができる。   All relevant wavelet correlations or dot products can be written for band i as follows:

Figure 0004255376
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添字は、正及び負の整数を範囲として、先に定義したように、隣接するバンド及び隣接するシンボル時間を表現する。 Subscripts represent adjacent bands and adjacent symbol times, as defined above, with positive and negative integers in the range.

しかしながら、リンク内の分散性障害は、サブバンド間に相対的な位相シフトを作り出す。その場合、ウエーブレットの「直交性」は失われ、回復されたシンボルには自己干渉としてクロスタームが現れる。 However, dispersive impairments within the link create a relative phase shift between subbands. In that case, the “orthogonality” of the wavelet is lost and a cross term appears as a self- interference in the recovered symbol .

ここに開示されている発明では、固定されたタップ重みフィルタバンクが使用されて、クロスタームを特別な差分(微分)位相シフトに近似する。固定されたタップ重みフィルタバンクの出力は測定された差分位相シフトの既知の関数F(p)によって重み付けされ、そして重み付けされたフィルタ出力は、回復された信号から減算されて、自己干渉を除去する。好ましい設計では、固定されたタップ重みフィルタバンクの固定された係数は、差分位相シフトの1つの値における内積から計算される。位相が測定できない場合には、適応コンバイナーが使用できる。 In the disclosed invention, a fixed tap weight filter bank is used to approximate the cross term to a special differential (differential) phase shift. The output of the fixed tap weight filter bank is weighted by a known function F (p) of the measured differential phase shift, and the weighted filter output is subtracted from the recovered signal to remove self-interference. . In the preferred design, the fixed coefficients of the fixed tap weight filter bank are calculated from the dot product at one value of the differential phase shift. If the phase cannot be measured, an adaptive combiner can be used.

好ましい実施形態では、特別な差分位相シフトは90度(90度は1つ予め決められた値)であり、また既知の重み付け関数は、sin(p)である。ここで、pは、測定された差分位相角である。 In the preferred embodiment, the special differential phase shift is 90 degrees (90 degrees is one predetermined value) and the known weighting function is sin (p). Here, p is the measured differential phase angle.

バンドi+mの位相が角度Pmである場合、隣のバンドは、差分位相p=P−Pmを有する。差分位相シフトpに対する内積は、先ず以下のように計算される。 If the phase of band i + m is angle Pm, the adjacent band has a differential phase p = P 0 -Pm. The inner product for the differential phase shift p is first calculated as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

バンドiの自己干渉は、いくつかの成分を有する。例えば、バンドi内で回復された信号は、フィルタSに入力される。iの左側のバンド、即ちバンドi−1から回復された信号は、隣のバンドフィルタAへ挿入され、またi+1から回復された信号は、バンドiの右側の右フィルタAへ挿入される。重み関数F(p)は、X係数のp依存性から決定される。自己干渉は、遅延された回復信号Rと組み合わせることによって、以下のように除去される。 The band i self-interference has several components. For example, the signal recovered in band i is input to the filter S. i left band, namely band i-1 recovered signal from is inserted to the band filter A L next, and the signal recovered from the i + 1 is inserted into the right side of the right filter A R of the band i . The weight function F (p) is determined from the p dependence of the X coefficient. Self-interference is eliminated by combining with the delayed recovery signal R as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

自己干渉項(ターム)をウエーブレットの内積から計算する原理は、位相シフト障害から、時間シフト障害をも含むように、延長させることができる。この場合、時間シフトtは、以下のように計算される。   The principle of calculating the self-interference term from the wavelet inner product can be extended from a phase shift fault to include a time shift fault. In this case, the time shift t is calculated as follows.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

タイミングオフセットに起因する自己干渉は、フィルタ処理された複数の信号を位相に対するものと同じ手法で組み合わせることによって除去されるが、フィルタタップ重みは、Y値から選択される。   Self-interference due to timing offset is removed by combining the filtered signals in the same way as for the phase, but the filter tap weights are selected from the Y values.

スライディング相関は、1つのサブバンドについて送信器と受信器との間のタイミングオフセットを除去できるとしても、グループ遅延変化(即ち、分散)に起因して他のバンドにもオフセットがある。   Even though the sliding correlation can remove the timing offset between transmitter and receiver for one subband, there is also an offset in the other bands due to group delay changes (ie, variance).

前述したものは、ウエーブレット関数の相互相関に基づいてウエーブレットモデムに対する位相および時間等化を与える方法を記述している。前述したように、位相または時間シフトが簡単に測定できない例では、適応コンバイナーが使用できる。さらに、1つのmバンドモデムは、相関器基準位相に対してm位相シフトだけを有しているので、mバンドの全ては、それらmパラメータだけで回復される。m角度が測定できる場合、コンバイナーは適応性である必要はない。それでも、広いサブバンド内の歪みまたは周波数オフセットは、相互相関の計算を複雑化し、この場合は、全てのタップを適応性にすることが必要とされる。   The foregoing describes a method for providing phase and time equalization for a wavelet modem based on the cross-correlation of wavelet functions. As mentioned above, an adaptive combiner can be used in examples where phase or time shift cannot be measured easily. Furthermore, since one m-band modem has only m phase shifts relative to the correlator reference phase, all of the m bands are recovered with only their m parameters. If the m angle can be measured, the combiner need not be adaptive. Nevertheless, distortion or frequency offset within a wide subband complicates the cross-correlation calculation, in which case all taps are required to be adaptive.

内積クロスタームの他の応用では、他のウエーブレットとは時間的にも周波数的にも重複していない隔離されたウエーブレットW(i,j)は、受信器からuサンプルで時間的なオフセットに到達する。受信器は、隔離されたシンボルを、真のシンボルの前後のシンボル時間における小さな早期および後期「衛星」応答と同様に、計算する。 In other applications of the dot product cross-term, an isolated wavelet W (i, j) that does not overlap in time or frequency with other wavelets is offset in time by u samples from the receiver. To reach. The receiver calculates the isolated symbols as well as small early and late “satellite” responses in the symbol time before and after the true symbol .

Figure 0004255376
Figure 0004255376

受信器は、正しい時間を見つけるために開示されたように、スライディング相関を行うことができる。しかしながら、隔離された信号の広い相関ピークの、小さな時間誤差に対する精度uは、u=0である設定の確実な決定を許容しない。しかしながら、相関が、例えばピークの真の到達の1シンボル時間前および1シンボル時間後になされる場合、さらに2つの内積が存在する。 The receiver can perform a sliding correlation as disclosed to find the correct time. However, the accuracy u of the wide correlation peak of the isolated signal for small time errors does not allow a reliable determination of the setting where u = 0. However, if the correlation is made, for example, one symbol time before and one symbol time after the true arrival of the peak, there are two more inner products.

Figure 0004255376
Figure 0004255376

ウエーブレットが対称または非対称である場合、それはモデムの線形位相応答には望ましいが、タイミングが正しいときに、内積のウエーブレットの位相が一致すれば、早期(Early)および後期(Late)の信号の振幅が等しくなる。即ち、u=0のときに、受信器のフィルタからの衛星応答は、同期したときに同じ大きさを持つ。さらには、隔離(Isolated)された信号に対する早期および後期の信号の大きさは、スライディング相関がu=0に近く、しかも偽ピークには近くないことを確実にするためのしきい値として使用できる。   If the wavelet is symmetric or asymmetric, it is desirable for the modem's linear phase response, but if the timing is correct and the phase of the wavelet of the inner product matches, the early and late signals Amplitude is equal. That is, when u = 0, the satellite response from the receiver filter has the same magnitude when synchronized. Furthermore, the magnitude of the early and late signals relative to the isolated signal can be used as a threshold to ensure that the sliding correlation is close to u = 0 and not close to the false peak. .

受信器のウエーブレットに対する受信信号の位相が不明な場合、受信器はまたウエーブレットw(i,j)から相互相関Early’およびLate’を計算する。ここで、w(i,j)はW(i,j)を90度位相シフトしたものである。この場合、エネルギ、具体的にはエネルギの2乗 (energy squared)は、次のようになる。   If the phase of the received signal relative to the receiver wavelet is unknown, the receiver also calculates the cross correlations Early 'and Late' from the wavelet w (i, j). Here, w (i, j) is obtained by shifting the phase of W (i, j) by 90 degrees. In this case, the energy, specifically the energy squared, is:

Figure 0004255376
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EarlyおよびLateエネルギまたはエネルギの2乗は、u=0のときに、即ち、送信器と受信器が時間同期しているときに、等しい。このため、到来する隔離されたウエーブレットは、受信器のウエーブレットと整列する。それから、送信されたシンボルは、受信器のフィルタによって検出できる。さらには、隔離された信号と早期信号または隔離された信号と後期信号についてのエネルギの2乗の比は、相互相関から計算可能であり、またその比は、真の同期をサーチすることを助けることができる。 The Early and Late energy or energy square is equal when u = 0, ie when the transmitter and receiver are time synchronized. Thus, the incoming isolated wavelet aligns with the receiver wavelet. The transmitted symbols can then be detected by a receiver filter. Furthermore, the ratio of the square of energy for the isolated signal and the early signal or the isolated signal and the late signal can be calculated from the cross-correlation, and the ratio helps to search for true synchronization. be able to.

発明の好ましい実施形態が説明されてきたが、当業者には明らかになるように、この概念を組み入れた他の実施形態も使用できる。それ故、これらの実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきものではなく、むしろ添付された請求の範囲の精神及び範囲によってのみ制限されるべきものであると感じられる。   While preferred embodiments of the invention have been described, other embodiments incorporating this concept may be used, as will be apparent to those skilled in the art. It is therefore felt that these embodiments should not be limited to the disclosed embodiments, but rather should be limited only by the spirit and scope of the appended claims.

信号分解−再合成システムの図式的表現である。1 is a schematic representation of a signal decomposition-resynthesis system. カスケードアナライザーの図式的表現である。It is a schematic representation of a cascade analyzer. カスケードシンセサイザーの図式的表現である。1 is a schematic representation of a cascade synthesizer. ツリーアナライザーの図式的表現である。A schematic representation of a tree analyzer. ツリーシンセサイザーの図式的表現である。1 is a schematic representation of a tree synthesizer. 信号暗号化装置のブロック図である。It is a block diagram of a signal encryption apparatus. 高信頼性信号を送受信するための送受信システムのブロック図である。It is a block diagram of the transmission / reception system for transmitting / receiving a high reliability signal. 信号暗号化送受信システムのブロック図である。It is a block diagram of a signal encryption transmission / reception system. モデムのブロック図である。It is a block diagram of a modem. コード化モデムのブロック図である。FIG. 3 is a block diagram of a coded modem. コード化ツリーモデムのブロック図である。FIG. 3 is a block diagram of a coded tree modem. 圧縮された信号を送受信するためのシステムのブロック図である。1 is a block diagram of a system for sending and receiving compressed signals. デジタルリンクを通して信号を送受信するための信号圧縮システムのブロック図である。1 is a block diagram of a signal compression system for transmitting and receiving signals over a digital link. モデムのブロック図である。It is a block diagram of a modem. 本発明に係るFMモデムのブロック図である。1 is a block diagram of an FM modem according to the present invention. 図11のFMモデムのダブルサイドバンド変形を使用してデータを送信するための方法のフロー図である。FIG. 12 is a flow diagram of a method for transmitting data using the double sideband variant of the FM modem of FIG. 図11のFMモデムのシングルサイドバンド変形を使用してデータを送信するための方法のフロー図である。FIG. 12 is a flow diagram of a method for transmitting data using a single sideband variant of the FM modem of FIG. 図12及び13の方法によってもたらされたサブステップのフロー図である。FIG. 14 is a flow diagram of substeps provided by the method of FIGS. 12 and 13. 図11のFMモデムを使用してデータを受信するための方法のフロー図である。FIG. 12 is a flow diagram of a method for receiving data using the FM modem of FIG. 図15の方法によってもたらされたサブステップのフロー図である。FIG. 16 is a flow diagram of substeps provided by the method of FIG.

Claims (12)

受信器で受信された信号の自己干渉を補償する方法であって、前記受信器は、フィルタ係数としてウエーブレット関数を有するマルチレートフィルタバンクを備え、前記信号は、時間および周波数が重なるウエーブレット符号化された複数のサブバンドを有する方法において、
受信信号を形成するためにアナログ/デジタル変換器と相関器とによって前記信号を前記受信器で受信するステップと、
複数のバンドを備える回転信号セットを生成するために、前記受信信号を前記マルチレートフィルタバンクに通して前記受信信号を回転するステップと、
前記マルチレートフィルタバンクによって出力された前記回転信号セットを第2のフィルタバンクに通してフィルタ処理するステップであって、前記第2のフィルタバンクは、1つのバンドと隣接バンドの間で選択された測定基準における差分変化の第1の値でのウェーブレット内積から各々計算されたそれぞれのバンド係数を有すると共に各バンドに対し前記選択された測定基準で自己干渉を与えることを特徴とする前記フィルタ処理するステップと、
前記各バンドに対して前記選択された測定基準における前記自己干渉量の既知の関数を決定するステップと、
各バンド用の補正率を生成するために、前記決定された既知の関数を用いて前記各バンドに対して前記選択された測定基準における前記自己干渉量を重み付けするステップと、
自己干渉が補償された出力信号を生成するために、前記重み付けステップによって出力された前記各バンド用の前記補正率を前記受信信号から減算するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
A method for compensating for self-interference of a signal received by a receiver, wherein the receiver comprises a multirate filter bank having a wavelet function as a filter coefficient, and the signal is a wavelet code having a time and a frequency overlap. In a method having a plurality of subbands
Receiving said signal by said receiver by a correlator and analog / digital converter to form a received signal,
To generate a rotation signal set comprising a plurality of bands, the steps of rotating the received signal through the received signal in the multi-rate filter bank,
Filtering the rotated signal set output by the multi-rate filter bank through a second filter bank, the second filter bank being selected between one band and an adjacent band It said filter characterized in that it gives a self-interference amount in the selected metric for each band and having a respective band coefficients respectively calculated from the wavelet inner product of the first value of differential partial change in metric Processing steps ;
Determining a known function of the self-interference amount in the selected measurement criteria for each band,
Weighting the amount of self-interference in the selected metric for each band using the determined known function to generate a correction factor for each band;
To produce an output signal which self-interference is compensated, and subtracting the correction factor for each band outputted by said weighting step from the received signal,
A method comprising the steps of:
前記選択された測定基準は、位相であり
前記フィルタ処理するステップは、前記1つのバンドと前記隣接バンドの間の位相シフトの第1の値におけるウエーブレット内積から前記それぞれのバンド係数を計算するステップを備え
前記決定するステップは、前記各バンドに対して位相における前記自己干渉量の既知の関数を決定するステップを備え、
前記重み付けステップは、前記決定された既知の関数を用いて前記各バンドに対して位相における前記自己干渉量を重み付けするステップを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
The selected metric is phase ;
Wherein the step of filtering comprises the step of calculating the respective band coefficients from said wavelet inner product of the first value of the phase shift between the adjacent band and the one band,
The step of determining comprises determining a known function of the amount of self-interference in phase for each band;
The method of claim 1, wherein the weighting step comprises weighting the amount of self-interference in phase for each band using the determined known function .
前記選択された測定基準は、時間であり
前記フィルタ処理するステップは、前記1つのバンドと前記隣接バンドの間の時間変移の第1の値におけるウエーブレット内積から前記それぞれのバンド係数を計算するステップを備え
前記決定するステップは、前記各バンドに対して時間における前記自己干渉量の既知の関数を決定するステップを備え、
前記重み付けステップは、前記決定された既知の関数を用いて前記各バンドに対して時間における前記自己干渉量を重み付けするステップを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
The selected metric is time ;
The filtering process to step includes the step of calculating the respective band coefficients from said wavelet inner product of the first value of the time displacement between the adjacent band and the one band,
The step of determining comprises determining a known function of the amount of self-interference in time for each band;
The method of claim 1, wherein the weighting step comprises weighting the amount of self-interference in time for each band using the determined known function .
前記決定するステップ、前記既知の関数としてsin(x)を決定すると共に、前記xが前記選択された測定基準における前記自己干渉量であることを特徴とする請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the determining step determines sin (x) as the known function , and wherein x is the amount of self-interference in the selected metric. 前記選択された測定基準における前記差分変化の前記第1の値は、測定によって得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。 It said first value of said difference component change in the selected metric, the method according to claim 1, characterized in that it is obtained by measurement. 前記選択された測定基準における前記差分変化の前記第1の値は、前記受信器に関連した適応コンバイナーを使用して得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。 Said first value of said difference component change in the selected metric, the method according to claim 1, characterized in that it is obtained by using an adaptive combiner associated with said receiver. データシンボルによってそれぞれ変調された時間および周波数が重なるウエーブレットを備えた受信信号を解析するための複数のマルチチレートフィルタバンクを有する受信器において、前記受信信号に導入された自己干渉を補償する方法であって、
複数のバンド成分を備える回転信号セットを生成するために、前記マルチレートフィルタバンクを使用して前記受信信号を解析するステップと、
各バンドに対して第1の測定基準における自己干渉量を生成するために、隣接するバンド成分間の前記第1の測定基準における変化の1つの予め決められた値でのそれぞれのウェーブレットの内積から生じた係数を有するフィルタバンク通して前記マルチレートフィルタバンクからの前記回転信号セットをフィルタ処理するステップと、
歪オフセットを定義するために、前記第1の測定基準における前記自己干渉量の予め定義された関数に基づいて、前記フィルタ処理するステップの結果から得られた、前記各バンドに対して前記第1の測定基準における前記自己干渉量を、重み付けするステップと、
自己干渉が補償された出力信号を生成するために前記受信信号から前記歪オフセットを減算するステップと
を備えることを特徴とする方法。
Method for compensating for self-interference introduced in a received signal in a receiver having a plurality of multi- tilt filter banks for analyzing a received signal with wavelets overlapping in time and frequency respectively modulated by data symbols Because
To generate a rotation signal set comprising a plurality of bands components, parsing the received signal using the multirate filter bank,
To generate a self-interference amount in the first metric for each band, from the respective wavelet inner product of a single predetermined value of change in the first metric between adjacent bands component a step of the rotation signal set from the multirate filter bank through a filter bank to filter with the resulting coefficients,
To define the distortion offset, wherein the first metric based on a predefined function of the self-interference amount, the obtained from the results of the filtering process to the step, the first for each band the self-interference amount in metrics, a step of weighting,
Method characterized by comprising the step of subtracting the distortion offset from the received signal to produce an output signal which self-interference is compensated.
前記第1の測定基準は、位相であり、
前記フィルタ処理するステップは、隣接するバンド成分間の位相シフトの1つの予め決められた値におけるそれぞれのウェーブレット内積から生じた係数を有するフィルタバンクに通して前記回転信号セットをフィルタ処理するステップを備え
前記重み付けするステップは、位相における前記自己干渉量の予め定義された関数を基に、前記各バンドに対して位相における前記自己干渉量を重み付けするステップを備えることを特徴とする請求項7に記載の方法。
The first metric is phase;
Wherein the step of filtering comprises one step of filtering the rotation signal set through a filter bank having a coefficient resulting from the respective wavelet inner product in a predetermined value of the phase shift between adjacent bands component ,
The weighting step comprises weighting the self-interference amount in phase for each band based on a predefined function of the self-interference amount in phase. the method of.
前記第1の測定基準は、時間であり、
前記フィルタ処理するステップは、隣接するバンド成分間の時間遅延の1つの予め決められた値におけるそれぞれのウェーブレット内積から生じた係数を有するフィルタバンクに通して前記回転信号セットをフィルタ処理するステップを備え
前記重み付けするステップは、時間における前記自己干渉量の予め定義された関数を基に、前記各バンドに対して時間における前記自己干渉量を重み付けするステップを備えることを特徴とする請求項7に記載の方法。
The first metric is time;
Wherein the step of filtering comprises a step of filtering the rotation signal set through a filter bank having a coefficient resulting from the respective wavelet inner products in one predetermined value of the time delay between adjacent bands component ,
The weighting step includes weighting the self-interference amount in time for each band based on a predefined function of the self-interference amount in time. the method of.
前記重み付けステップは、xの正弦関数を前記第1の測定基準における前記自己干渉量に対して適用するステップを備えると共に、前記xは、前記第1の測定基準における前記自己干渉量であることを特徴とする請求項7に記載の方法。 The weighting step comprises applying a sine function of x to the self-interference amount in the first metric , wherein x is the self-interference amount in the first metric. 8. A method according to claim 7, characterized in that ウエーブレット伝送システム用の受信器であって、
ウエーブレット符号化されたサブバンドを備えた受信信号を解析するための、そして複数のバンド成分から成る前記回転信号セットを作り出すためのマルチレートフィルタバンクと、
固定タップ重みフイルタバンクを備えるフィルタ回路であって、隣接するサブバンドのウエーブレット内積から第1の測定基準における歪みの予め定義された値の関数として生じる係数を持つ前記固定タップ重みフイルタバンクに通して前記回転信号セットをフイルタ処理するための、そして前記隣接するサブバンド間の前記第1の測定基準における歪みの度合いを定義するためのフィルタ回路と、
歪みオフセットを生成するために、前記フィルタ回路からの前記定義された歪みの度合いに対して予め決定された重み付け関数を適用する重み付け回路であって、前記予め決定された重み付け関数は、前記隣接サブバンド間の前記第1の測定基準における前記定義された歪みの度合いの関数であることを特徴とする前記重み付け回路と、
自己干渉が補償された出力信号を生成するために前記受信信号から前記歪オフセットを減算する減算回路と
を備えることを特徴とする受信器。
A receiver for a wavelet transmission system,
A multi-rate filter bank for analyzing a received signal with wavelet-encoded subbands and for generating the rotated signal set comprising a plurality of band components ;
A filter circuit comprising a fixed tap weight filter bank, passing through the fixed tap weight filter bank having coefficients that arise from a wavelet dot product of adjacent subbands as a function of a predefined value of distortion in a first metric. a filter circuit for defining the degree of distortion in the first metric between said for the rotation signal set to filter processing, and the adjacent subbands Te,
A weighting circuit that applies a predetermined weighting function to the defined degree of distortion from the filter circuit to generate a distortion offset , wherein the predetermined weighting function is The weighting circuit being a function of the defined degree of distortion in the first metric between bands ;
A receiver comprising: a subtraction circuit that subtracts the distortion offset from the received signal to generate an output signal in which self-interference is compensated .
前記第1の測定基準は、時間及び位相からなる群から選択されることを特徴とする請求項11記載の受信器。Wherein the first metric, the receiver of claim 11, wherein is selected from the group consisting of time and phase.
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